电路板PCB过孔技术

过孔(VIA)是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的成本通常占PCB制造成本的30%-40%。简单来说，PCB上的每一个孔都可以称为过孔，从功能上看，过孔可以分为两类：
首先，它用于层间的电连接；二是用于固定装置或定位。就过程而言，这些过孔一般分为三类，即孔，盲埋孔和通孔盲埋孔位于印刷线路板块的顶面和底面，并有一定的深度，用来连接下面的面线和内线。孔的深度通常不超过一定的比例(孔直径)。掩埋的孔指的是位于路板内层， 印刷线，的连接孔，它没有延伸到电路板的表面。上述两种类型的孔位于电路板的内层，在层压之前通过通孔成型工艺完成，并且在形成过孔的过程中几个内层可以重叠。第三种类型被称为通孔，其穿过整个电路板，并且可以用于内部互连或组件安装定位孔由于通孔在技术上更容易实现并且成本更低，大多数印刷电路板使用它来代替其他两个过孔。下面提到的过孔，除非另有说明，将被认为是通孔。
从设计的角度来看，一个过孔主要由两部分组成，一个是钻中间的孔，另一个是钻孔，周围的焊盘区，如下图所示。这两个部分的大小决定了过孔的大小显然，在高速高密度的PCB设计中，设计师总是希望过孔，越小越好，这样就可以在板上留下更多的布线空间。此外，过孔，越小，其寄生电容越小，更适合高速电路。然而，孔面积的缩小也带来了成本的增加，过孔的面积不能无限缩小。受钻孔、电镀等技术限制：孔，越小钻孔，时间越长，越容易偏离中心位置；当孔的深度超过孔，直径的6倍时，就不可能保证孔墙能被均匀地镀铜。例如，正常的6层印刷电路板的厚度(通孔深度)约为50密耳，因此印刷电路板制造商提供的钻孔的最小直径只能达到8密耳。
第二，过孔过孔本身的寄生电容对地也有寄生电容。如果已知过孔的隔离孔的直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，当印刷电路板的厚度为t，板基材介常数为时，过孔的寄生电容约为：c=1.41  td1/(D2-D1)。过孔寄生电容对电路的主要影响是延长信号上升时间和降低电路速度。例如，对于厚度为50密耳的印刷电路板，如果使用内径为10密耳、焊盘直径为20密耳的过孔，焊盘和地铺铜区之间的距离为32密耳。那么我们可以通过上述公式近似计算出过孔的寄生电容为c=1.41 x  4.4 x  0.050 x  0.020/(0.032-0.020)=0.517 pf，该电容引起的上升时间变化为T10-90=2.2c(z0/2)=2.2x  0.517 x(55)从这些值可以看出，虽然单个过孔的寄生电容引起的上升延迟的影响不明显，但如果
3.过孔寄生电感同样，过孔也存在寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔寄生电感造成的危害往往大于寄生电容的影响。其寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献和整个电源系统的滤波效果。我们可以通过下面的公式简单地计算出一个过孔近似的寄生电感：L=5.08h[ln(4h/d) 1]，其中L指的是过孔，的电感，h是过孔，的长度，d是中心钻孔的直径，从公式中可以看出，过孔的直径对电感的影响不大，而过孔的长度对电感的影响最大。利用上面的例子，过孔的电感可以计算为l=5.08 x0.050[ln(4x  0.050/0.010)1]=1.015 NH.如果信号上升时间为1ns，则其等效阻抗为XL= L/T10-90=3.19 。这种阻抗在高频电流通过时不能忽略。特别要注意的是，当连接电源层和接地层时，旁路电容需要通过两个过孔，因此过孔的寄生电感将会成倍增加。
4.通过对高速PCB过孔寄生特性的分析可以看出，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往会给电路设计带来很大的负面影响。为了减少过孔寄生效应造成的不利影响，我们可以尽最大努力：
1.从成本和信号质量两方面选择合理的过孔尺寸。比如6-10层内存模块的PCB设计，最好选择10/20Mil(钻孔/焊盘)过孔，对于一些高密度小尺寸的板，也可以尝试使用8/18Mil过孔。在目前的技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔。对于电源或接地过孔，可以考虑采用更大的尺寸来降低阻抗。
2.从上面讨论的两个公式可以得出结论，使用更薄的印刷电路板有利于降低过孔的两个寄生参数。
3.尽量不要改变PCB上信号布线的层数，也就是尽量不要使用不必要的过孔。
4.电源和接地的引脚应该在附近打孔，过孔和引脚之间的引线越短越好，因为会导致电感增加。同时，电源和接地的引线应尽可能厚，以降低阻抗。
5.在信号层变化的过孔附近放置一些接地过孔，为信号提供最近的电路。甚至可以在PCB上放置大量冗余接地过孔。
当然，在设计上需要灵活。上面讨论的过孔模型是每层都有焊盘的情况。有时候，我们可以减少甚至去除一些层的焊盘。特别是当过孔密度很大时，可能会导致铜层形成断槽。为了解决这个问题，除了移动过孔的位置之外，我们还可以考虑减小铜层过孔的焊盘尺寸。