PCB過孔設計的基本原則

　　過孔（via）是多層PCB的重要組成部分之一，鉆孔的費用通常占PCB制板費用的30%到40%。簡單的說來，PCB上的每一個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層的連接孔，它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內層，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。第三種稱為通孔，這種孔穿過整個線路板，可用于實現內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，一個過孔主要由兩個部分組成，一是中間的鉆孔（drill hole），二是鉆孔周圍的焊盤區。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然，在高速，高密度的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）等工藝技術的限制：孔越小，鉆孔需花費的時間越長，也越容易偏離中心位置；且當孔的深度超過鉆孔直徑的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廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達到8Mil。

　　二、過孔的寄生電容

　　過孔本身存在著對地的寄生電容，如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為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于：C=1.41εTD1/（D2-D1）

　　過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度。舉例來說，對于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內徑為10Mil，焊盤直徑為20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區的距離為32Mil，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/（0.032-0.020）=0.517pF，這部分電容引起的上升時間變化量為：T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps 。從這些數值可以看出，盡管單個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行層間的切換，設計者還是要慎重考慮的。

　　三、過孔的寄生電感

　　同樣，過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數字電路的設計中，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。我們可以用下面的公式來簡單地計算一個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，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子，可以計算出過孔的電感為：L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH 。 如果信號的上升時間是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候需要通過兩個過孔，這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

　　高速PCB中的過孔設計

　　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：

　　（1）選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的PCB 設計來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/ 焊盤/ POWER 隔離區）的過孔較好；對于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔，也可以嘗試非穿導孔；對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗；

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

　　（3）PCB 上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量減少過孔；

　　（4）使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數；

　　（5）電源和地的管腳要就近過孔，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；

　　（6）在信號換層的過孔附近放置一些接地過孔，以便為信號提供短距離回路。

　　此外，過孔長度也是影響過孔電感的主要因素之一。對用于頂、底層導通的過孔，過孔長度等于PCB厚度，由于PCB層數的不斷增加，PCB厚度常常會達到5 mm以上。然而，高速PCB設計時，為減小過孔帶來的問題，過孔長度一般控制在2.0mm以內。對于過孔長度大于2.0 mm過孔，通過增加過孔孔徑，可在一定程度上提高過孔阻抗連續性。當過孔長度為1.0 mm及以下時，最佳過孔孔徑為0.20 mm ~ 0.30 mm。