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PCB設(shè)計(jì)大講堂:如何在PCB布線中設(shè)計(jì)過(guò)孔?

發(fā)布時(shí)間 :2019-05-16 17:49 閱讀 : 來(lái)源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
深圳宏力捷是一家擁有平均設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)超10年P(guān)CB設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)PCB布線設(shè)計(jì)公司,可提供多層、高頻、高速PCB布線設(shè)計(jì)服務(wù)。接下來(lái)為大家介紹如何在PCB布線中設(shè)計(jì)過(guò)孔?

 
什么是過(guò)孔?
 
過(guò)孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%到40%。簡(jiǎn)單的說(shuō)來(lái),PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過(guò)孔。從作用上看,過(guò)孔可以分成兩類:一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位。如果從工藝制程上來(lái)說(shuō),過(guò)孔一般又分為三類,即盲孔、埋孔和通孔。
 
盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過(guò)一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。
 
第三種稱為通孔,這種孔穿過(guò)整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以絕大部分印刷電路板中均使用它,而不用另外兩種過(guò)孔。以下所說(shuō)的過(guò)孔,沒(méi)有特殊說(shuō)明的,均作為通孔考慮。
 
過(guò)孔的組成
 
從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,一個(gè)過(guò)孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔,二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過(guò)孔的大小。很顯然,在高速,高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過(guò)孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。
 
但孔尺寸的減小同時(shí)帶來(lái)了成本的增加,而且過(guò)孔的尺寸不可能無(wú)限制的減小,它受到鉆孔和電鍍等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng),也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過(guò)鉆孔直徑的6倍時(shí),就無(wú)法保證孔壁能均勻鍍銅。比如,現(xiàn)在正常的一塊6層PCB板的厚度(通孔深度)為50Mil左右,所以PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。
 
過(guò)孔的寄生特性
 
1、寄生電容
過(guò)孔本身存在著對(duì)地的寄生電容,如果已知過(guò)孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過(guò)孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于:
 
C=1.41εTD1/(D2-D1)
 
過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度。
 
舉例來(lái)說(shuō),對(duì)于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用內(nèi)徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過(guò)孔,焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是:
 
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)
=0.517pF
 
這部分電容引起的上升時(shí)間變化量為:
 
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)
=31.28ps
 
從這些數(shù)值可以看出,盡管單個(gè)過(guò)孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換,設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。
 
2、寄生電感
過(guò)孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感:
 
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
 
其中L指過(guò)孔的電感,h是過(guò)孔的長(zhǎng)度,d是中心鉆孔的直徑。
 
從式中可以看出,過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過(guò)孔的電感為:
 
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]
=1.015nH
 
如果信號(hào)的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:
 
XL=πL/T10-90=3.19Ω
 
這樣的阻抗在有高頻電流的通過(guò)已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔,這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。
 
設(shè)計(jì)過(guò)孔的技巧
 
高速PCB中的過(guò)孔設(shè)計(jì)通過(guò)上面對(duì)過(guò)孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計(jì)中,看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:
 
1、從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婵紤],選擇合理尺寸的過(guò)孔大小。比如對(duì)6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),選用10/20Mil(鉆孔/焊盤)的過(guò)孔較好,對(duì)于一些高密度的小尺寸的板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過(guò)孔。
 
目前技術(shù)條件下,很難使用更小尺寸的過(guò)孔了。對(duì)于電源或地線的過(guò)孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗。
 
2、上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)。
 
3、PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層,也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔。
 
4、電源和地的管腳要就近打過(guò)孔,過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好,因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗。
 
5、在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔,以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過(guò)孔。當(dāng)然,在設(shè)計(jì)時(shí)還需要靈活多變。前面討論的過(guò)孔模型是每層均有焊盤的情況,也有的時(shí)候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。
 
6、特別是在過(guò)孔密度非常大的情況下,可能會(huì)導(dǎo)致在鋪銅層形成一個(gè)隔斷回路的斷槽,解決這樣的問(wèn)題除了移動(dòng)過(guò)孔的位置,我們還可以考慮將過(guò)孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。


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