PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)的基本原則

　　過(guò)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(jiǎn)單的說(shuō)來(lái)，PCB上的每一個(gè)孔都可以稱(chēng)之為過(guò)孔。從作用上看，過(guò)孔可以分成兩類(lèi)：

　　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(lái)說(shuō)，這些過(guò)孔一般又分為三類(lèi)，即盲孔（blind via）、埋孔（buried via）和通孔（through via）。盲孔位于印刷線(xiàn)路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線(xiàn)路和下面的內(nèi)層線(xiàn)路的連接，孔的深度通常不超過(guò)一定的比率（孔徑）。埋孔是指位于印刷線(xiàn)路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線(xiàn)路板的表面。上述兩類(lèi)孔都位于線(xiàn)路板的內(nèi)層，層壓前利用通孔成型工藝完成，在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱(chēng)為通孔，這種孔穿過(guò)整個(gè)線(xiàn)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(guò)孔。以下所說(shuō)的過(guò)孔，沒(méi)有特殊說(shuō)明的，均作為通孔考慮。

　　從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)過(guò)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?chē)暮副P(pán)區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過(guò)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(guò)孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線(xiàn)空間，此外，過(guò)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(lái)了成本的增加，而且過(guò)孔的尺寸不可能無(wú)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(zhǎng)，也越容易偏離中心位置；且當(dāng)孔的深度超過(guò)鉆孔直徑的6倍時(shí)，就無(wú)法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，現(xiàn)在正常的一塊6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil左右，所以PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。

　　二、過(guò)孔的寄生電容

　　過(guò)孔本身存在著對(duì)地的寄生電容，如果已知過(guò)孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2，過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1，PCB板的厚度為T(mén)，板基材介電常數(shù)為ε，則過(guò)孔的寄生電容大小近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）

　　過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內(nèi)徑為10Mil，焊盤(pán)直徑為20Mil的過(guò)孔，焊盤(pán)與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil，則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）=0.517pF，這部分電容引起的上升時(shí)間變化量為：T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps 。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過(guò)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(xiàn)中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。

　　三、過(guò)孔的寄生電感

　　同樣，過(guò)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(guò)孔的寄生電感帶來(lái)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。我們可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感：L=5.08h［ln（4h/d）+1］其中L指過(guò)孔的電感，h是過(guò)孔的長(zhǎng)度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過(guò)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(guò)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(guò)兩個(gè)過(guò)孔，這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。

　　高速PCB中的過(guò)孔設(shè)計(jì)

　　在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響，在設(shè)計(jì)中可以盡量做到：

　　（1）選擇合理的過(guò)孔尺寸。對(duì)于多層一般密度的PCB 設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/ 焊盤(pán)/ POWER 隔離區(qū)）的過(guò)孔較好；對(duì)于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過(guò)孔，也可以嘗試非穿導(dǎo)孔；對(duì)于電源或地線(xiàn)的過(guò)孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗；

　　（2）POWER隔離區(qū)越大越好，考慮PCB 上的過(guò)孔密度，一般為D1=D2+0.41；

　　（3）PCB 上的信號(hào)走線(xiàn)盡量不換層，也就是說(shuō)盡量減少過(guò)孔；

　　（4）使用較薄的PCB有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)；

　　（5）電源和地的管腳要就近過(guò)孔，過(guò)孔和管腳之間的引線(xiàn)越短越好，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線(xiàn)要盡可能粗，以減少阻抗；

　　（6）在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地過(guò)孔，以便為信號(hào)提供短距離回路。

　　此外，過(guò)孔長(zhǎng)度也是影響過(guò)孔電感的主要因素之一。對(duì)用于頂、底層導(dǎo)通的過(guò)孔，過(guò)孔長(zhǎng)度等于PCB厚度，由于PCB層數(shù)的不斷增加，PCB厚度常常會(huì)達(dá)到5 mm以上。然而，高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為減小過(guò)孔帶來(lái)的問(wèn)題，過(guò)孔長(zhǎng)度一般控制在2.0mm以?xún)?nèi)。對(duì)于過(guò)孔長(zhǎng)度大于2.0 mm過(guò)孔，通過(guò)增加過(guò)孔孔徑，可在一定程度上提高過(guò)孔阻抗連續(xù)性。當(dāng)過(guò)孔長(zhǎng)度為1.0 mm及以下時(shí)，最佳過(guò)孔孔徑為0.20 mm ~ 0.30 mm。