PCB印制线路板过孔设计生产注意事项
发布日期:2019-06-21

【印刷电路板的过孔】

 

一.过孔的根本概念

 

过孔(via)是多层PCB的重要组成局部之一,钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来,PCB上的每一个孔都能够称之为过孔。从作用上看,过孔能够分红两类:一是用作各层间的电气衔接;二是用作器件的固定或定位。假如从工艺制程上来说,这些过孔普通又分为三类,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层外表,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的衔接,孔的深度通常不超越一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的衔接孔,它不会延伸到线路板的外表。上述两类孔都位于线路板的内层,层压前应用通孔成型工艺完成,在过孔构成过程中可能还会堆叠做好几个内层。第三种称为通孔,这种孔穿过整个线路板,可用于完成内部互连或作为元件的装置定位孔。由于通孔在工艺上更易于完成,本钱较低,所以绝大局部印刷电路板均运用它,而不用另外两种过孔。以下所说的过孔,没有特殊阐明的,均作为通孔思索。

 

从设计的角度来看,一个过孔主要由两个局部组成,一是中间的钻孔(drill hole),二是钻孔四周的焊盘区,这两局部的尺寸大小决议了过孔的大小。很显然,在高速,高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这榜样上能够留有更多的布线空间,此外,过孔越小,其本身的寄生电容也越小,更合适用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了本钱的增加,而且过孔的尺寸不可能无限制的减小,它遭到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制:孔越小,钻孔加工工艺越难,需破费的时间越长,也越容易偏离中心位置;且当孔的深度超越钻孔直径的6倍时,就无法保证孔壁能平均镀铜。比方,如今正常的一块6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil左右,所以普通PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能到达8Mil。

 

二.过孔的寄生电容

 

过孔自身存在着对地的寄生电容,假如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形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,关于一块厚度为50Mil的PCB板,假如运用内径为10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,焊盘与地铺铜区的间隔为32Mil,则我们能够经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,这局部电容惹起的上升时间变化量为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值能够看出,虽然单个过孔的寄生电容惹起的上升延变缓的功效不是很明显,但是假如走线中屡次运用过孔停止层间的切换,设计者还是要谨慎思索的。

 

三.过孔的寄生电感

 

同样,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常常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奉献,削弱整个电源系统的滤波功效。我们能够用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

 

L=5.08h[ln(4h/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。从式中能够看出,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。依然采用上面的例子,能够计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。假如信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的经过曾经不可以被疏忽,特别要留意,旁路电容在衔接电源层和地层的时分需求经过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

 

四.高速PCB中的过孔设计

 

经过上面对过孔寄生特性的剖析,我们能够看到,在高速PCB设计中,看似简单的过孔常常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,在设计中能够尽量做到:

 

1.从本钱和信号质量两方面思索,选择合理尺寸的过孔大小。比方对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,关于一些高密度的小尺寸的板子,也能够尝试运用8/18Mil的过孔。目前技术条件下,很难运用更小尺寸的过孔了。关于电源或地线的过孔则能够思索运用较大尺寸,以减小阻抗。

 

2.上面讨论的两个公式能够得出,运用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

 

3.PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要运用不用要的过孔。

 

4.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,由于它们会招致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。

 

5.在信号换层的过孔左近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。以至能够在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。

 

当然,在设计时还需求灵敏多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的状况,也有的时分,我们能够将某些层的焊盘减小以至去掉。特别是在过孔密度十分大的状况下,可能会招致在铺铜层构成一个隔断回路的断槽,处理这样的问题除了挪动过孔的位置,我们还能够思索将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。

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