過孔

過孔

過孔也稱金屬化孔。在雙面板和多層板中,為連通各層之間的印製導線,在各層需要連通的導線的交匯處鑽上一個公共孔,即過孔。過孔的參數主要有孔的外徑和鑽孔尺寸。 孔本身存在著對地的寄生電容,同時也存在著寄生電感,往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。

基本概念

過孔,線上路板中,一條線路從板的一面跳到另一面,連線兩條連線的孔也叫過孔(區別於焊盤,邊上沒有助焊層。)

過孔也稱金屬化孔,在雙面板和多層板中,為連通各層之間的印製導線,在各層需要連通的導線的交匯處鑽上一個公共孔,即過孔。在工藝上,過孔的孔壁圓柱面上用化學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,而過孔的上下兩面做成圓形焊盤形狀,過孔的參數主要有孔的外徑和鑽孔尺寸。

過孔不僅可以是通孔,還可以是掩埋式。所謂通孔式過孔是指穿通所有敷銅層的過孔;掩埋式過孔則僅穿通中間幾個敷銅層面,仿佛被其它敷銅層掩埋起來。

寄生電容

孔本身存在著對地的寄生電容,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,板基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似於:

C=K*ε0*3.14*TD1/(D2-D1)(ε0為真空介電常數,K為PCB相對(真空ε0)介電係數)

過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間,降低了電路的速度。舉例來說,對於一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用內徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,焊盤與地鋪銅區的距離為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=K*ε0*3.14*0.050x0.020/(0.032-0.020),這部分電容會引起的上升時間的變化。儘管單個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行層間的切換,設計者還是要慎重考慮的。

寄生電感

同樣,過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數字電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地計算一個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是中心鑽孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然採用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信號的上升時間是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不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連線電源層和地層的時候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

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高速PCB中的過孔設計

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,在設計中可以儘量做到:

1.從成本和信號質量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。比如對6-10層的記憶體模組PCB設計來說,選用10/20Mil(鑽孔/焊盤)的過孔較好,對於一些高密度的小尺寸的板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。受限於技術條件,很難使用更小尺寸的過孔了。對於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.上面討論的兩個公式可以得出,使用較薄的PCB板有利於減小過孔的兩種寄生參數。

3.PCB板上的信號走線儘量不換層,也就是說儘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,因為它們會導致電感的增加。同時電源和地的引線要儘可能粗,以減少阻抗。

5.在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的迴路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多餘的接地過孔。

當然,在設計時還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況。

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