别让过孔毁了整块板子

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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%~40%。简单的来说,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:

  • 用作各层间的电气连接;
  • 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:

  • 盲孔(blind via)
  • 埋孔 (buried via)
  • 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。

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:

  • 中间的钻孔(drill hole)
  • 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。随着激光钻孔技术的发展,钻孔的尺寸也可以越来越小,一般直径小于等于 6Mils 的过孔,我们就称为微孔。在 HDI(高密度互连结构)设计中经常使用到微孔,微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上(Via-in-pad),这大大提高了电路性能,节约了布线空间。

过孔对信号传输的影响:寄生电容和寄生电感

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点,会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低 12%左右,比如 50 欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小 6 欧姆(具体和过孔的尺寸,板厚也有关,不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的,其反射系数仅为:(44-50)/(44+50)=0.06,过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。

过孔本身存在着寄生的杂散电容,如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为 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=1.41×ε×T×D1/(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,如果使用的过孔焊盘直径为 20Mil(钻孔直径为 10Mils),阻焊区直径为 40Mil,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=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.040-0.020) =0.31pF

这部分电容引起的上升时间变化量大致为:

T10-90 =2.2C(Z0/2) =2.2×0.31×(50/2) =17.05ps

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,就会用到多个过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离(Anti-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

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。我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

L=5.08×h×[ln(4×h/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=5.08×0.050×[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 =2πL/T=6.37Ω

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。

如何使用过孔

通过上面对过孔寄生特性的分析,我们能看到,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:从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔。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。对于信号走线,则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小,相应的成本也会增加。

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。

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。

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。可以考虑并联打多个过孔,以减少等效电感。

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 板上放置一些多余的接地过孔。

对于密度较高的高速 PCB 板,可以考虑使用微型过孔。

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。

文章转载自:志博PCB

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