干貨 | 過孔對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h1>

時(shí)間：2020-5-22閱讀：347

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一,、過孔的基本概念

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),。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),。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,，如果一塊正常的6 層PCB 板的厚度（通孔深度）為50Mil,，那么，一般條件下PCB 廠家能提供的鉆孔直徑小只能達(dá)到8Mil,。隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展,，鉆孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小于等于6Mils 的過孔,，我們就稱為微孔,。在HDI（高密度互連結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔，微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上（Via-in-pad）,，這大大提高了電路性能,，節(jié)約了布線空間。

過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),，會(huì)造成信號(hào)的反射,。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右，比如50 歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會(huì)減小6 歐姆（具體和過孔的尺寸,，板厚也有關(guān),，不是減小）。但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,，其反射系數(shù)僅為：(44-50)/(44+50)=0.06,，過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

 

二,、過孔的寄生電容和電感

 

過孔本身存在著寄生的雜散電容,，如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)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，如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil（鉆孔直徑為10Mils）,，阻焊區(qū)直徑為40Mil,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/(0.040-0.020)=0.31pF 這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

 

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,，就會(huì)用到多個(gè)過孔,，設(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離（Anti-pad）或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容,。

 

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,。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)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,。

 

三、如何使用過孔

 

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。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過孔,，比如對(duì)于電源或地線的過孔,，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗,，而對(duì)于信號(hào)走線,，則可以使用較小的過孔。當(dāng)然隨著過孔尺寸減小,，相應(yīng)的成本也會(huì)增加,。

 

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,。可以考慮并聯(lián)打多個(gè)過孔,，以減少等效電感,。

 

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)提供近的回路,。甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地過孔,。

 

6．對(duì)于密度較高的高速PCB 板，可以考慮使用微型過孔,。

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