PCB 通孔分析

过孔是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔成本通常占PCB制造成本的30%~40%。 简而言之，PCB上的每个孔都可以称为过孔。

从功能的角度，过孔可以分为两类：

一是用作层与层之间的电连接；

二是用于固定或定位装置。

从工艺上来说，这些过孔一般分为三类，即盲孔、埋孔和直通孔。

1、盲孔

它位于印制电路板的顶面和底面，并有一定的深度。 它用于连接表面线和下面的内线。 孔的深度通常不超过一定的比例（孔径）。

2、埋孔

是指印制电路板内层的连接孔，不会延伸到印制电路板表面。 以上两种孔位均位于电路板的内层。 层压前，采用通孔成型工艺完成过孔。 在孔形成过程中，多个内层可以重叠。

3、通孔

该孔贯穿整个电路板，可用于内部互连或作为元器件的安装定位孔。

由于通孔在技术上更容易实现，成本也较低，因此大多数印制电路板都使用它来代替其他两种通孔。 以下过孔，如无特殊说明，均视为通孔。

从设计的角度来看，过孔主要由两部分组成：一是中间的钻孔，二是钻孔周围的焊盘区。 这两部分的大小决定了过孔的大小。 显然，EDA365电子论坛在设计高速高密度PCB时，和设计人员一样，总是希望过孔越小越好，这样可以在板子上留出更多的布线空间。 另外，过孔越小，其寄生电容越小，更适用于高速电路。 但是，孔径的缩小也带来了成本的增加，过孔的尺寸不可能无限制地缩小。 受钻孔、电镀等技术限制：孔越小，钻孔时间越长，越容易偏离中心； 而当孔深超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁均匀镀铜。

例如，如果一块普通的6层PCB的厚度（通孔深度）为50Mil，那么在正常情况下，PCB厂家提供的孔径只能达到8Mil。

随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸也可以越来越小。 一般将直径小于或等于6Mil的过孔称为微孔。 HDI（高密度互连结构）设计中经常使用微孔。 微孔技术可以让过孔直接打在焊盘上（Via in pad），大大提高了电路性能，节省了布线空间。

传输线上的过孔表现为阻抗不连续的断点，会引起信号反射。 通常，过孔的等效阻抗比传输线的等效阻抗低约 12%。 例如，50欧姆的传输线在通过过孔时阻抗会降低6欧姆（具体与过孔的大小和板材的厚度有关，不是降低）。

但是过孔阻抗不连续引起的反射其实很小，其反射系数仅为：

（44-50）/（44+50）=0.06

过孔带来的问题更多集中在寄生电容和电感的影响上。

1.过孔的寄生电容

过孔本身对地有寄生电容。 若已知铺装过孔的隔离孔直径为D2，过孔焊盘直径为D1，PCB厚度为T，板基板的介电常数为ε，则 过孔的寄生电容近似于：

C=1.41 ε TD1/（D2-D1）

过孔的寄生电容主要通过延长信号的上升时间和降低电路的速度来影响电路。

例如，对于厚度为50Mil的PCB，如果使用内径为10Mil、焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铜区的距离为32Mil，我们可以近似计算出寄生 过孔的电容通过上面的公式：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）=0.517pF

这部分电容引起的上升时间变化为：

T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps

从这些数值可以看出，虽然单个过孔的寄生电容引起的上升延迟的影响并不明显，但EDA365电子论坛提醒设计人员慎重考虑是否重复使用过孔进行布线中的层间切换。

2.过孔的寄生电感

同样，过孔中也有寄生电容和寄生电感。 在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感往往比寄生电容带来更大的危害。 其寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献和整个供电系统的滤波效果。

我们可以使用以下公式简单地计算过孔近似值的寄生电感：

L=5.08h［ln（4h/d）+1］

其中L为过孔电感，h为过孔长度，d为中心钻孔直径。 从公式可以看出，过孔直径对电感的影响很小，而过孔的长度对电感的影响很小。

使用上面的例子，我们可以计算过孔的电感如下：

L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH

若信号上升时间为1ns，则等效阻抗为：

XL=πL/T10-90=3.19Ω

当有高频电流通过时，这种阻抗是不容忽视的。 特别是旁路电容在连接电源层和地层时需要经过两个过孔，过孔的寄生电感会成倍增加。

3. 高速PCB中的通孔设计

通过以上对过孔寄生特性的分析，我们可以看出，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往会给电路设计带来很大的负面影响。

为了减少过孔的寄生效应带来的不利影响，我们可以在设计中尝试做到以下几点：

A. 考虑成本和信号质量，选择合理尺寸的过孔。 例如，对于6-10层内存模块PCB设计，最好选择10/20Mil（drilling/pad）vias。 对于一些高密度的小尺寸板，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。

在目前的技术条件下，很难使用更小的过孔。 对于电源或地线的过孔，可以考虑加大尺寸以降低阻抗。

B. 从上面讨论的两个公式可以得出结论，使用更薄的PCB有利于降低过孔的两个寄生参数。

C. 电源和地的引脚应就近打孔。 via和pin之间的引线越短越好，因为它们会导致电感增加。 同时，电源和地线要尽可能粗，以降低阻抗。

D.PCB上的信号走线尽量不换层，即尽量减少不必要的过孔。

E.在信号换层过孔附近放置一些接地过孔，为信号提供近电路。 您甚至可以在 PCB 上放置大量冗余接地过孔。 当然，设计也需要灵活。

上面讨论的过孔模型是每层都有焊盘的情况。 有时，我们可以减少甚至移除某些层的焊盘。

尤其是当过孔密度很大时，可能会在铜层中造成沟槽断路。 为了解决这个问题，除了移动过孔的位置外，我们还可以考虑减小过孔在铜层中的焊盘尺寸。

过孔的使用方法：通过以上对过孔寄生特性的分析，我们可以看出，在高速PCB设计中，看似简单的过孔使用不当，往往会给电路设计带来很大的负面影响。