过孔也称金属化孔。在
双面板和
多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔。过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。
基本概念
过孔,在线路板中,一条线路从板的一面跳到另一面,连接两条连线的孔也叫过孔(区别于
焊盘,边上没有助
焊层。)
过孔也称金属化孔,在
双面板和
多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔。在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用
化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状,过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。
过孔不仅可以是
通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。
寄生电容
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=K*ε0*3.14*TD1/(D2-D1)(ε0为
真空介电常数,K为PCB相对(真空ε0)介电系数)
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=K*ε0*3.14*0.050x0.020/(0.032-0.020),这部分电容会引起的上升时间的变化。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,设计者还是要慎重考虑的。
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往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱
旁路电容的贡献,减弱整个
电源系统的滤波效用。我们可以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。从式中可以看出,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。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信号的
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
高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
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高速PCB中的过孔设计
通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速
PCB设计中,看似简单的过孔往往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,在设计中可以尽量做到:
1.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。比如对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,对于一些
高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔。受限于
技术条件,很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗。
2.上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的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,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
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,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。
5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。
当然,在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况。