PCB的过孔设计不容小觑，尤其是高速PCB

PCB的过孔设计不容小觑，尤其是高速PCB

目前，高速PCB设计广泛应用于通信、计算机、图形图像处理等领域。所有高科技增值电子产品设计都追求低功耗、低电磁辐射、高可靠性、小型化、轻量化等特点。为了实现上述目标，过孔设计是高速PCB设计中的一个重要因素。

它由孔、孔周围的焊盘区域和POWER层隔离区域组成。 一般分为盲孔、埋孔和通孔三类。 在PCB设计过程中，通过对过孔寄生电容和寄生电感的分析，总结出高速PCB过孔设计中的一些注意事项。

1. 通孔

过孔是多层PCB设计中的一个重要因素。 过孔主要由三部分组成：一是过孔；二是过孔。 第二个是孔周围的焊盘区域； 第三个是POWER层隔离区。 过孔的工艺流程是通过化学沉积的方法，在过孔孔壁的圆柱面上镀上一层金属，以连接中间各层需要连接的铜箔。 过孔的上下两侧做成普通焊盘形状，可以直接连接上下两侧的线路，也可以不连接。 通孔可以起到电连接、固定或定位装置的作用。通孔一般分为三类：盲孔、埋孔和通孔。 

1）盲孔是指印制电路板的顶层和底层表面有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接。孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

2）预埋孔是指位于印制电路板内层的连接孔，不会延伸到印制电路板表面。盲孔和埋孔都位于电路板的内层。在层压之前，采用通孔成型工艺来完成。 在形成通孔的过程中，多个内层可能会重叠。

3）通孔，贯穿整个电路板，可用于内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上较容易实现且成本较低，所以一般用于印刷电路板。

2.过孔的寄生电容

过孔本身具有对地寄生电容。假设底板上过孔的隔离孔径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB的厚度为T，板基板的介电常数为ε，则过孔的寄生电容为 近似于：

C=1.41εTD1/（D2-D1）

过孔的寄生电容主要会通过延长信号的上升时间、降低电路的速度来影响电路。 电容越小，影响越小。

3.过孔的寄生电感

过孔中存在寄生电感。 在高速数字电路设计中，过孔的寄生电感往往带来的危害比寄生电容更大。 过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用以及整个电源系统的滤波效果。 若L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径，则过孔的寄生电感约为L=5.08h[ln(4h/d)+1]。从公式可以看出，过孔直径对电感影响不大，而过孔长度对电感影响最大。

4.无导向孔技术

非导孔包括盲孔和埋孔。 在非通孔技术中，盲孔和埋孔的应用可以大大减小PCB的尺寸和质量，减少层数，提高电磁兼容性，增加电子产品的特性，降低成本，也使设计 更容易、更快。 在传统的PCB设计加工中，通孔会带来很多问题。 首先，它们占据了大量的有效空间。 其次，大量的过孔密集分布，这也给多层PCB内层的走线造成了巨大的障碍。 这些通孔占据了布线所需的空间。 它们密集地穿过电源层和地层的表面，也会破坏电源层和地层的阻抗特性，使电源层和地层失效。 而常规机械钻孔将是非导向钻孔的20倍。

在PCB设计中，虽然焊盘和过孔的尺寸逐渐减小，但如果板层厚度不按比例减小，则通孔的深宽比将会增大，而通孔的深宽比的增大 会降低可靠性。 随着先进激光打孔技术和等离子干法刻蚀技术的成熟，非穿透性小盲孔和小型埋孔的应用成为可能。 如果这些非穿透性导孔的孔径为0.3mm，则寄生参数约为原来常规孔的1/10，提高了PCB的可靠性。

由于采用非通孔技术，PCB上将很少有大的通孔，可以为布线提供更多的空间。 剩余空间可用于大面积屏蔽，以提高EMI/RFI性能。 同时，更多的剩余空间还可以用于内层部分屏蔽器件和关键网线，使其具有最佳的电气性能。 采用非导孔，更容易扇出器件引脚，方便高密度引脚器件（如BGA封装器件）的走线，缩短布线长度，满足高速电路的时序要求 。

5. 常见PCB中过孔的选择

一般PCB设计中，过孔的寄生电容和电感对PCB设计影响不大。 对于1-4层PCB设计，一般首选0.36mm/0.61mm/1.02mm（钻孔/焊盘/POWER隔离区）过孔。 一些有特殊要求的信号线（如电源线、地线、时钟线等）可以根据实际情况选择0.41mm/0.81mm/1.32mm过孔，或其他过孔。

6. 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。 为了减少过孔寄生效应带来的不利影响，设计中可采取以下措施：

(1)选择合理的通孔尺寸。 对于一般密度的多层PCB设计，最好选择0.25mm/0.51mm/0.91mm（钻孔/焊盘/POWER隔离区）过孔； 对于一些高密度PCB，也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm过孔，也可以使用非通孔； 对于电源或地线的过孔，可以考虑较大尺寸，以降低阻抗；

(2) POWER隔离面积越大越好。 考虑到PCB上的过孔密度，一般为D1=D2+0.41；

(3)PCB上的信号走线尽量不要换层，即尽量减少过孔；

(4)采用更薄的PCB有利于降低过孔的两个寄生参数；

(5)电源和地的引脚应靠近过孔，过孔与引脚之间的引线应尽可能短，因为它们会导致电感增加。同时，电源和地线应尽可能粗，以降低阻抗；

(6) 在信号层变化过孔附近放置一些接地过孔，为信号提供短距离回路。

当然，设计时还需要具体问题具体分析。综合考虑成本和信号质量，设计高速PCB时，设计者总是希望过孔越小越好，这样可以在板上留下更多的布线空间。另外，过孔越小，其寄生电容也越小，更适合高速电路。在高密度PCB的设计中，非导孔的使用以及过孔尺寸的减小也带来了成本的增加。另外，过孔的尺寸不能无限制地减小。受到PCB制造商钻孔和电镀技术的限制。因此，高速PCB的过孔设计应综合考虑。