PCB科技 - 如何避免高速PCB設計中過孔的負面影響

通孔的基本概念

過孔是多層PCB最重要的部件之一。 鑽孔成本通常占PCB生產成本的30%至40%。 簡而言之，PCB上的每個孔都可以稱為通孔。 從功能上講，通孔可分為兩類：一類用於層間的電連接； 另一種用於固定或定位設備。 在工藝方面，這些過孔一般分為三類：盲過孔、埋過孔和貫通過孔。 盲孔位於印刷電路板的頂面和底面，有一定的深度。 它用於連接下麵的表面電路和內部電路。 孔的深度通常不超過一定的比率（孔徑）。 埋孔是指印刷電路板內層的連接孔，不延伸到電路板的表面。 上述兩種類型的孔位於PCB的內層。 在層壓之前，使用通孔成型工藝來完成該工藝，在通孔成型過程中可以重疊幾個內層。

第三種類型稱為通孔，它穿過整個電路板，可用於內部互連或作為組件的安裝定位孔。 由於通孔更容易實現且成本更低，大多數印刷電路板都使用它來代替其他兩個。 下麵提到的通孔，如果沒有特別說明，則被視為通孔。

從設計角度來看，通孔主要由兩部分組成，一部分是中間的鑽孔，另一部分是鑽孔周圍的襯墊區域。 這兩個部分的大小决定了通孔的大小。 顯然，在高速、高密度的PCB設計中，設計人員總是希望通孔越小越好，這樣電路板上就可以有更多的佈線空間。

此外，通孔越小，其自身寄生電容越小，更適合高速電路。 然而，孔尺寸的减小帶來了成本的新增，通孔的尺寸不能無限制地减小。 它受到鑽孔和電鍍科技的限制：孔越小，鑽孔時間越長，越容易偏離中心位置。 此外，當孔的深度超過孔直徑的6倍時，無法保證孔壁上的均勻鍍銅。 例如，如果一個普通的6層PCB的厚度（通孔深度）為50密耳，在正常情况下，PCB製造商提供的鑽孔直徑只能達到8密耳。 隨著雷射鑽孔科技的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。 通常，直徑小於或等於6mils的通孔稱為微孔。 微孔通常用於HDI（高密度互連結構）設計。 微孔科技允許在焊盤上直接衝壓通孔，這大大提高了電路效能並節省了佈線空間。

過孔是傳輸線上不連續的阻抗中斷點，會導致訊號反射。 一般來說，通孔的等效阻抗比傳輸線的等效阻抗低約12%。 例如，50歐姆傳輸線的阻抗在穿過通孔時將降低6歐姆（這與通孔的尺寸和板的厚度有關，但與降低無關）。 但通孔阻抗不連續引起的反射實際上很小，其反射係數僅為（44-50）/（44+50）=0.06，通孔引起的問題主要集中在寄生電容和電感的影響上。

過孔寄生電容和電感

如果通孔阻焊區的直徑為D2，通孔焊盤的直徑為D1，PCB的厚度為t，基板的介電常數為μ，則通孔的寄生電容約為C=1.41μTD1/（D2-D1）

過孔寄生電容對電路的主要影響是延長訊號的上升時間，降低電路的速度。 例如，對於厚度為50mil的PCB，如果通孔焊盤直徑為20MIL（鑽孔直徑為10mils），焊料掩模直徑為40mil，那麼我們可以通過上述公式近似計算通孔的寄生電容：C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.040-0.020）=0.31pf。 該電容引起的上升時間變化為：t10-90=2.2c（Z0/2）=2.2x0.31x（50/2）=17.05ps

從這些值可以看出，雖然單個通孔的寄生電容的影響不明顯，但如果在佈線中重複使用通孔進行層切換，則會使用多個通孔，這在設計中應該仔細考慮。 在實際設計中，可以通過新增通孔和銅層（反焊盤）之間的距離或减小焊盤的直徑來减小寄生電容。

在高速數位電路的設計中，過孔寄生電感造成的危害往往大於寄生電容。 其寄生串聯電感將削弱旁路電容的貢獻和整個電力系統的濾波效率。 我們可以使用以下經驗公式來簡單計算通孔的寄生電感：l=5.08h[ln（4h/D）+1]，其中l是通孔的電感，h是通孔長度，D是中心孔的直徑。 從公式中可以看出，通孔的直徑對電感的影響很小，而通孔的長度對電感有影響。 仍然使用上述示例，我們可以計算通孔電感如下：l=5.08x0.050[ln（4x0.050/0.010）+1]=1.015nh。 如果訊號的上升時間為1ns，則其等效阻抗為：XL=πL/t10-90=3.19μ。 當有高頻電流通過時，這種阻抗不容忽視。 需要注意的是，在連接電源層和地層時，旁路電容需要穿過兩個通孔，囙此通孔的寄生電感將加倍。

如何使用過孔

通過以上對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設計中，看似簡單的過孔往往會給電路設計帶來很大的負面影響。 為了减少通孔寄生效應造成的不利影響，我們可以在設計中儘量做到以下幾點：

1.從成本和訊號質量兩個方面，選擇合理的通孔尺寸。 如有必要，可以考慮不同尺寸的通孔。 例如，對於電源或地線的通孔，可以使用較大的尺寸來降低阻抗，而較小的通孔可以用於訊號佈線。當然，隨著通孔尺寸的减小，相應的成本也會新增。

2.從上述兩個公式可以得出結論，使用更薄的PCB有利於降低通孔的兩個寄生參數。

3.儘量不要改變PCB板上的訊號佈線層，也就是說，儘量不要使用不必要的過孔。

4.電源和地線的引脚應在附近鑽孔，過孔和引脚之間的引線越短越好。 為了降低等效電感，可以考慮並聯多個通孔。

5.在訊號層變化的通孔附近放置一些接地通孔，以便為訊號提供閉環。 一些冗餘的接地通孔甚至可以放置在PCB板上。

6.對於高密度的高速PCB，可以考慮微通孔。