過孔(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%.簡單的說來,PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔.從作用上看,過孔可以分成兩類: 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說,這些過 孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via).

    1、過孔的組成

    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 孔形成過程中可能還會(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均使用它,而不用另外兩種過孔.以下所說的過孔,沒有特殊說明的, 均作為通孔考慮. 從設(shè)計(jì)的角度來看,一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是 鉆孔周圍的焊盤區(qū),見下圖.這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小.很顯然,在高速,高 密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此 外,過孔越小,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 了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍 (plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長,也越容易偏離中心位 置;且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時(shí),就無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.

    2、過孔的寄生電容

    過孔本身存在著對(duì)地的寄生電容,如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過孔焊盤的 直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于: C=1.41εTD1/(D2-D1) 過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度.舉 例來說,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的過孔, 焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致 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 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孔進(jìn)行層間 的切換,設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的.

    3、過孔的寄生電感

    同樣,過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,過孔的寄生 電感帶來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簡單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感: L=5.08h[ln(4h/d) 1]其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑.從式中可 以看出,過孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過孔的長度.仍然采用上面 的例子,可以計(jì)算出過孔的電感為: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 過兩個(gè)過孔,這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加.

    4、高速PCB中的過孔設(shè)計(jì)

    通過上面對(duì)過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計(jì)中,看似簡單的過 孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng).為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響, 在設(shè)計(jì)中可以盡量做到: 1、從成本和信號(hào)質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小.比如對(duì)6-10層的內(nèi) 存模塊PCB設(shè)計(jì)來說,選用10/20Mil(鉆孔/焊盤)的過孔較好,對(duì)于一些高密度的小尺寸的 板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔.目前技術(shù)條件下,很難使用更小尺寸的過孔了.對(duì) 于電源或地線的過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,也就是說盡量不要使用不必要的過孔. 4、電源和地的管腳要就近打過孔,過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)換層的過孔附近放置一些接地的過孔,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孔.當(dāng)然,在設(shè)計(jì)時(shí)還需要靈活多變.前面討論的過孔 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.特別是 在過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 題除了移動(dòng)過孔的位置,我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小.