過孔 通孔,盲孔,埋孔

2021-09-28 16:38:33 字數 3044 閱讀 3872

過孔(via)是多層 pcb 的重要組成部分之一,鑽孔的費用通常佔 pcb 製板費用的 30%~40%。簡單的來說,pcb 上的每乙個孔都可以稱之為過孔。

從作用上看,過孔可以分成兩類:

用作各層間的電氣連線;

用作器件的固定或定位;

如果從工藝製程上來說,這些過孔一般又分為三類:

盲孔(blind via)

埋孔 (buried via)

通孔(through via)

盲孔位於印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用於表層線路和下面的內層線路的連線,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。盲孔是將pcb內層走線與pcb表層走線相連的過孔型別,此孔不穿透整個板子。

埋孔是指位於印刷線路板內層的連線孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位於線路板的內層,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重疊做好幾個內層。埋孔則只連線內層之間的走線的過孔型別,所以是從pcb表面是看不出來的。

通孔這種孔穿過整個線路板,可用於實現內部互連或作為元件的安裝定位孔。由於通孔在工藝上更易於實現,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。

從設計的角度來看,乙個過孔主要由兩個部分組成:

中間的鑽孔(drill hole)

鑽孔周圍的焊盤區

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pcb 設計時,設計者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的佈線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用於高速電路。但孔尺寸的減小同時帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鑽孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術的限制:孔越小,鑽孔需花費的時間越長,也越容易偏離中心位置;且當孔的深度超過鑽孔直徑的 6 倍時,就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如,現在正常的一塊 6 層 pcb 板的厚度(通孔深度)為 50mil 左右,所以 pcb 廠家能提供的鑽孔直徑最小只能達到 8mil。隨著雷射鑽孔技術的發展,鑽孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小於等於 6mils 的過孔,我們就稱為微孔。在 hdi(高密度互鏈結構)設計中經常使用到微孔,微孔技術可以允許過孔直接打在焊盤上(via-in-pad),這大大提高了電路效能,節約了佈線空間。

過孔對訊號傳輸的影響:寄生電容和寄生電感

過孔在傳輸線上表現為阻抗不連續的斷點,會造成訊號的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低 12%左右,比如 50 歐姆的傳輸線在經過過孔時阻抗會減小 6 歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關,不是絕對減小)。但過孔因為阻抗不連續而造成的反射其實是微乎其微的,其反射係數僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過孔產生的問題更多的集中於寄生電容和電感的影響。

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,板基材介電常數為 ε,則過孔的寄生電容大小近似於:

c=1.41×ε×t×d1/(d2-d1)

過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了訊號的上公升時間,降低了電路的速度。舉例來說,對於一塊厚度為 50mil 的 pcb 板,如果使用的過孔焊盤直徑為 20mil(鑽孔直徑為 10mils),阻焊區直徑為 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=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.040-0.020) =0.31pf

這部分電容引起的上公升時間變化量大致為:

t10-90 =2.2c(z0/2) =2.2×0.31×(50/2) =17.05ps

從這些數值可以看出,儘管單個過孔的寄生電容引起的上公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行層間的切換,就會用到多個過孔,設計時就要慎重考慮。實際設計中可以通過增大過孔和鋪銅區的距離(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也存在著寄生電感,在高速數位電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統的濾波效用。我們可以用下面的經驗公式來簡單地計算乙個過孔近似的寄生電感:

l=5.08×h×[ln(4×h/d)+1]

其中:l 指過孔的電感 h 是過孔的長度 d 是中心鑽孔的直徑。

從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然採用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:

l=5.08×0.050×[ln(4x0.050/0.010)+1] =1.015nh

如果訊號的上公升時間是 1ns,那麼其等效阻抗大小為:

xl =2πl/t=6.37ω

這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連線電源層和地層的時候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

如何使用過孔

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們能看到,在高速 pcb 設計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,在設計中可以盡量做到:從成本和訊號質量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔。比如對 6-10 層的記憶體模組 pcb 設計來說:

選用 10/20mil(鑽孔/焊盤)的過孔較好,對於一些高密度的小尺寸的板子,也可以嘗試使用 8/18mil 的過孔。目前技術條件下,很難使用更小尺寸的過孔了。對於電源或地線的過孔,則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗。對於訊號走線,則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小,相應的成本也會增加。

上面討論的兩個公式可以得出,使用較薄的 pcb 板有利於減小過孔的兩種寄生引數。

pcb 板上的訊號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

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,因為它們會導致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗。可以考慮併聯打多個過孔,以減少等效電感。

在訊號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為訊號提供最近的迴路。甚至可以在 pcb 板上放置一些多餘的接地過孔。

對於密度較高的高速 pcb 板,可以考慮使用微型過孔。

當然,在設計時還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況,也有的時候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。特別是在過孔密度非常大的情況下,可能會導致在鋪銅層形成乙個隔斷迴路的斷槽,解決這樣的問題除了移動過孔的位置,我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。

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