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高速PCB过孔要注意哪些事(上)

作者:admin 发布时间:2022-03-16 04:01:24点击:482

过孔(via)是多层PCB线路板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)。

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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,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,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,如果一块正常的6 层PCB 板的厚度(通孔深度)为50Mil,那么,一般条件下PCB 厂家能提供的钻孔直径只能达到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6Mil 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,EDA365电子论坛提醒设计者还是要慎重考虑的。


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