嵌入式开发PCB过孔全介绍

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过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一,钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%.简单的说来,PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看,过孔可以分成两类:一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位。

如果从工艺制程上来说,这些过孔一般又分为三类,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的连接,孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位 于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层,层压前利用通孔成型工艺完成,在过孔形成过程中可能还会重叠做好几 个内层。第三种称为通孔,这种孔穿过整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以绝大部分印刷电 路板均使用它,而不用另外两种过孔。以下所说的过孔,没有特殊说明的,均作为通孔考虑。

从设计的角度来看,一个过孔主要由两个部分组成,一是中间的钻孔(drill hole),二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然,在高速,高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好, 这样板上可以留有更多的布线空间,此外,过孔越小,其自身的寄生电容也越小,更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加,而且过孔的尺寸不 可能无限制的减小,它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制:孔越小,钻孔需花费的时间越长,也越容易偏离中心位置;且当孔的 深度超过钻孔直径的6倍时,就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如,现在正常的一块6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil左右,所以PCB厂家能提供的钻 孔直径最小只能达到8Mil.二、过孔的寄生电容过孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为 D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度。举例来说,对于一块厚度为50Mil的PCB板,如果使用内径为 10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致 是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF,这部分电容引起的上升时间变化量 为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps .从这些数值可以看出,尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,设计者还是要慎重考虑的。

三、过孔的寄生电感同样,过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它 的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电 感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而 对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感 为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH .如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注 意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

四、高速PCB中的过孔设计通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面 效应。

为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:

1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存 模块 PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下, 很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗。

2、上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3、PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

4、电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。

5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然,在设计时还需要 灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况,也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下,可能会导致在铺 铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问题除了移动过孔的位置,我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。