PCB的過孔設(shè)計(jì)不容小覷，尤其是高速PCB

目前，高速PCB設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理等領(lǐng)域。所有高科技增值電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)都追求低功耗、低電磁輻射、高可靠性、小型化、輕量化等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，過孔設(shè)計(jì)是高速PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。

它由孔、孔周圍的焊盤區(qū)域和POWER層隔離區(qū)域組成。 一般分為盲孔、埋孔和通孔三類。 在PCB設(shè)計(jì)過程中，通過對過孔寄生電容和寄生電感的分析，總結(jié)出高速PCB過孔設(shè)計(jì)中的一些注意事項(xiàng)。

1. 通孔

過孔是多層PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。 過孔主要由三部分組成：一是過孔；二是過孔。 第二個(gè)是孔周圍的焊盤區(qū)域； 第三個(gè)是POWER層隔離區(qū)。 過孔的工藝流程是通過化學(xué)沉積的方法，在過孔孔壁的圓柱面上鍍上一層金屬，以連接中間各層需要連接的銅箔。 過孔的上下兩側(cè)做成普通焊盤形狀，可以直接連接上下兩側(cè)的線路，也可以不連接。 通孔可以起到電連接、固定或定位裝置的作用。通孔一般分為三類：盲孔、埋孔和通孔。 

1）盲孔是指印制電路板的頂層和底層表面有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接?？椎纳疃扰c孔徑通常不超過一定的比率。

2）預(yù)埋孔是指位于印制電路板內(nèi)層的連接孔，不會(huì)延伸到印制電路板表面。盲孔和埋孔都位于電路板的內(nèi)層。在層壓之前，采用通孔成型工藝來完成。 在形成通孔的過程中，多個(gè)內(nèi)層可能會(huì)重疊。

3）通孔，貫穿整個(gè)電路板，可用于內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上較容易實(shí)現(xiàn)且成本較低，所以一般用于印刷電路板。

2.過孔的寄生電容

過孔本身具有對地寄生電容。假設(shè)底板上過孔的隔離孔徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB的厚度為T，板基板的介電常數(shù)為ε，則過孔的寄生電容為 近似于：

C=1.41εTD1/（D2-D1）

過孔的寄生電容主要會(huì)通過延長信號的上升時(shí)間、降低電路的速度來影響電路。 電容越小，影響越小。

3.過孔的寄生電感

過孔中存在寄生電感。 在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，過孔的寄生電感往往帶來的危害比寄生電容更大。 過孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的作用以及整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效果。 若L為過孔的電感，h為過孔的長度，d為中心鉆孔的直徑，則過孔的寄生電感約為L=5.08h[ln(4h/d)+1]。從公式可以看出，過孔直徑對電感影響不大，而過孔長度對電感影響最大。

4.無導(dǎo)向孔技術(shù)

非導(dǎo)孔包括盲孔和埋孔。 在非通孔技術(shù)中，盲孔和埋孔的應(yīng)用可以大大減小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)品的特性，降低成本，也使設(shè)計(jì) 更容易、更快。 在傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)加工中，通孔會(huì)帶來很多問題。 首先，它們占據(jù)了大量的有效空間。 其次，大量的過孔密集分布，這也給多層PCB內(nèi)層的走線造成了巨大的障礙。 這些通孔占據(jù)了布線所需的空間。 它們密集地穿過電源層和地層的表面，也會(huì)破壞電源層和地層的阻抗特性，使電源層和地層失效。 而常規(guī)機(jī)械鉆孔將是非導(dǎo)向鉆孔的20倍。

在PCB設(shè)計(jì)中，雖然焊盤和過孔的尺寸逐漸減小，但如果板層厚度不按比例減小，則通孔的深寬比將會(huì)增大，而通孔的深寬比的增大 會(huì)降低可靠性。 隨著先進(jìn)激光打孔技術(shù)和等離子干法刻蝕技術(shù)的成熟，非穿透性小盲孔和小型埋孔的應(yīng)用成為可能。 如果這些非穿透性導(dǎo)孔的孔徑為0.3mm，則寄生參數(shù)約為原來常規(guī)孔的1/10，提高了PCB的可靠性。

由于采用非通孔技術(shù)，PCB上將很少有大的通孔，可以為布線提供更多的空間。 剩余空間可用于大面積屏蔽，以提高EMI/RFI性能。 同時(shí)，更多的剩余空間還可以用于內(nèi)層部分屏蔽器件和關(guān)鍵網(wǎng)線，使其具有最佳的電氣性能。 采用非導(dǎo)孔，更容易扇出器件引腳，方便高密度引腳器件（如BGA封裝器件）的走線，縮短布線長度，滿足高速電路的時(shí)序要求 。

5. 常見PCB中過孔的選擇

一般PCB設(shè)計(jì)中，過孔的寄生電容和電感對PCB設(shè)計(jì)影響不大。 對于1-4層PCB設(shè)計(jì)，一般首選0.36mm/0.61mm/1.02mm（鉆孔/焊盤/POWER隔離區(qū)）過孔。 一些有特殊要求的信號線（如電源線、地線、時(shí)鐘線等）可以根據(jù)實(shí)際情況選擇0.41mm/0.81mm/1.32mm過孔，或其他過孔。

6. 高速PCB中的通孔設(shè)計(jì)

通過以上對過孔寄生特性的分析，我們可以看出，在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡單的過孔往往會(huì)給電路設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面影響。 為了減少過孔寄生效應(yīng)帶來的不利影響，設(shè)計(jì)中可采取以下措施：

(1)選擇合理的通孔尺寸。 對于一般密度的多層PCB設(shè)計(jì)，最好選擇0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/焊盤/POWER隔離區(qū)）過孔； 對于一些高密度PCB，也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm過孔，也可以使用非通孔； 對于電源或地線的過孔，可以考慮較大尺寸，以降低阻抗；

(2) POWER隔離面積越大越好。 考慮到PCB上的過孔密度，一般為D1=D2+0.41；

(3)PCB上的信號走線盡量不要換層，即盡量減少過孔；

(4)采用更薄的PCB有利于降低過孔的兩個(gè)寄生參數(shù)；

(5)電源和地的引腳應(yīng)靠近過孔，過孔與引腳之間的引線應(yīng)盡可能短，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感增加。同時(shí)，電源和地線應(yīng)盡可能粗，以降低阻抗；

(6) 在信號層變化過孔附近放置一些接地過孔，為信號提供短距離回路。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)時(shí)還需要具體問題具體分析。綜合考慮成本和信號質(zhì)量，設(shè)計(jì)高速PCB時(shí)，設(shè)計(jì)者總是希望過孔越小越好，這樣可以在板上留下更多的布線空間。另外，過孔越小，其寄生電容也越小，更適合高速電路。在高密度PCB的設(shè)計(jì)中，非導(dǎo)孔的使用以及過孔尺寸的減小也帶來了成本的增加。另外，過孔的尺寸不能無限制地減小。受到PCB制造商鉆孔和電鍍技術(shù)的限制。因此，高速PCB的過孔設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮。