高速PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)的幾個(gè)注意事項(xiàng)

    在高速PCB設(shè)計(jì)中，過(guò)孔設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素，它由孔、孔周圍的焊盤區(qū)和POWER層隔離區(qū)組成，通常分為盲孔、埋孔和通孔三類。在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)過(guò)孔的寄生電容和寄生電感分析，總結(jié)出高速PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)中的一些注意事項(xiàng)。 
　 
    目前高速PCB的設(shè)計(jì)在通信、計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，所有高科技附加值的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)都在追求低功耗、低電磁輻射、高可靠性、小型化、輕型化等特點(diǎn)，為了達(dá)到以上目標(biāo)，在高速PCB設(shè)計(jì)中，過(guò)孔設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素。 
　　 
　　 
    過(guò)孔是多層PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，一個(gè)過(guò)孔主要由三部分組成，一是孔;二是孔周圍的焊盤區(qū);三是POWER層隔離區(qū)。過(guò)孔的工藝過(guò)程是在過(guò)孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬，用以連通中間各層需要連通的銅箔，而過(guò)孔的上下兩面做成普通的焊盤形狀，可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。過(guò)孔可以起到電氣連接，固定或定位器件的作用。過(guò)孔示意圖如圖1 所示。 
　　
    過(guò)孔一般又分為三類：盲孔、埋孔和通孔。 
　　 
    盲孔，指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，孔的深度與孔徑通常不超過(guò)一定的比率。 
　　 
    埋孔，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。 
　　 
    盲孔與埋孔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。 
　　 
    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，所以一般印制電路板均使用 
　　 
    通孔。過(guò)孔的分類如圖2 所示。 


    過(guò)孔本身存在著對(duì)地的寄生電容，若過(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，電容值越小則影響越小。 
　　 
　　 
    過(guò)孔本身就存在寄生電感，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。過(guò)孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的作用，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。若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， 
　　 
    過(guò)孔的寄生電感近似于： 
　　 
    L=5.08h[ln(4h/d) 1] 
　　 
    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。 
　　 
　　 
    非穿導(dǎo)孔包含盲孔和埋孔。 
　　 
    在非穿導(dǎo)孔技術(shù)中，盲孔和埋孔的應(yīng)用，可以極大地降低PCB的尺寸和質(zhì)量，減少層數(shù)，提高電磁兼容性，增加電子產(chǎn)品特色，降低成本，同時(shí)也會(huì)使得設(shè)計(jì)工作更加簡(jiǎn)便快捷。在傳統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)和加工中，通孔會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。首先它們占居大量的有效空間，其次大量的通孔密集一處也對(duì)多層PCB內(nèi)層走線造成巨大障礙，這些通孔占去走線所需的空間，它們密集地穿過(guò)電源與地線層的表面，還會(huì)破壞電源地線層的阻抗特性，使電源地線層失效。且常規(guī)的機(jī)械法鉆孔將是采用非穿導(dǎo)孔技術(shù)工作量的20倍。 
　　 
    在PCB設(shè)計(jì)中，雖然焊盤、過(guò)孔的尺寸已逐漸減小，但如果板層厚度不按比例下降，將會(huì)導(dǎo)致通孔的縱橫比增大，通孔的縱橫比增大會(huì)降低可靠性。隨著先進(jìn)的激光打孔技術(shù)、等離子干腐蝕技術(shù)的成熟，應(yīng)用非貫穿的小盲孔和小埋孔成為可能，若這些非穿導(dǎo)孔的孔直徑為0.3mm，所帶來(lái)的寄生參數(shù)是原先常規(guī)孔的1/10左右，提高了PCB的可靠性。 
　　 
    由于采用非穿導(dǎo)孔技術(shù)，使得PCB上大的過(guò)孔會(huì)很少，因而可以為走線提供更多的空間。剩余空間可以用作大面積屏蔽用途，以改進(jìn)EMI/RFI性能。同時(shí)更多的剩余空間還可以用于內(nèi)層對(duì)器件和關(guān)鍵網(wǎng)線進(jìn)行部分屏蔽，使其具有最佳電氣性能。采用非穿導(dǎo)孔，可以更方便地進(jìn)行器件引腳扇出，使得高密度引腳器件(如BGA 封裝器件)很容易布線，縮短連線長(zhǎng)度，滿足高速電路時(shí)序要求。
　　 

    在普通PCB 設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的寄生電容和寄生電感對(duì)PCB 設(shè)計(jì)的影響較小，對(duì)1-4層PCB 設(shè)計(jì)，一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm(鉆孔/ 焊盤/POWER 隔離區(qū))的過(guò)孔較好，一些特殊要求的信號(hào)線(如電源線、地線、時(shí)鐘線等)可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的過(guò)孔，也可根據(jù)實(shí)際選用其余尺寸的過(guò)孔。 


    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)選擇合理的過(guò)孔尺寸。對(duì)于多層一般密度的PCB 設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm(鉆孔/ 焊盤/ POWER 隔離區(qū))的過(guò)孔較好;對(duì)于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過(guò)孔，也可以嘗試非穿導(dǎo)孔;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)POWER 隔離區(qū)越大越好，考慮PCB 上的過(guò)孔密度，一般為D1=D2 0.41; 

    (3)PCB 上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說(shuō)盡量減少過(guò)孔; 

    (4)使用較薄的PCB 有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù); 

    (5)電源和地的管腳要就近做過(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; 

    (6)在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地過(guò)孔，以便為信號(hào)提供短距離回路。 

    當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)還需具體問(wèn)題具體分析。從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婢C合考慮，在高速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。在高密度PCB設(shè)計(jì)中，采用非穿導(dǎo)孔以及過(guò)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)限制地減小，它受到PCB 廠家鉆孔和電鍍等工藝技術(shù)的限制，在高速PCB 的過(guò)孔設(shè)計(jì)中應(yīng)給以均衡考慮。