PCB過孔設計的技巧解析
發布時間:2018-10-10 責任編輯:xueqi
【導讀】PCB上的每一個孔都可以稱之為過孔。過孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一,鑽孔的費用通常占PCB製板費用的30%到40%。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。如果從工藝製程上來說,過孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔 (through via)。
盲孔位於印刷線路板的頂層和底層表麵,具有一定深度,用於表層線路和下麵的內層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋(mai)孔(kong)是(shi)指(zhi)位(wei)於(yu)印(yin)刷(shua)線(xian)路(lu)板(ban)內(nei)層(ceng)的(de)連(lian)接(jie)孔(kong),它(ta)不(bu)會(hui)延(yan)伸(shen)到(dao)線(xian)路(lu)板(ban)的(de)表(biao)麵(mian)。上(shang)述(shu)兩(liang)類(lei)孔(kong)都(dou)位(wei)於(yu)線(xian)路(lu)板(ban)的(de)內(nei)層(ceng),層(ceng)壓(ya)前(qian)利(li)用(yong)通(tong)孔(kong)成(cheng)型(xing)工(gong)藝(yi)完(wan)成(cheng),在(zai)過(guo)孔(kong)形(xing)成(cheng)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)能(neng)還(hai)會(hui)重(zhong)疊(die)做(zuo)好(hao)幾(ji)個(ge)內(nei)層(ceng)。第(di)三(san)種(zhong)稱(cheng)為(wei)通(tong)孔(kong),這(zhe)種(zhong)孔(kong)穿(chuan)過(guo)整(zheng)個(ge)線(xian)路(lu)板(ban),可(ke)用(yong)於(yu)實(shi)現(xian)內(nei)部(bu)互(hu)連(lian)或(huo)作(zuo)為(wei)元(yuan)件(jian)的(de)安(an)裝(zhuang)定(ding)位(wei)孔(kong)。由(you)於(yu)通(tong)孔(kong)在(zai)工(gong)藝(yi)上(shang)更(geng)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian),成(cheng)本(ben)較(jiao)低(di),所(suo)以(yi)絕(jue)大(da)部(bu)分(fen)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)中(zhong)均(jun)使(shi)用(yong)它(ta),而(er)不(bu)用(yong)另(ling)外(wai)兩(liang)種(zhong)過(guo)孔(kong)。以(yi)下(xia)所(suo)說(shuo)的(de)過(guo)孔(kong),沒(mei)有(you)特(te)殊(shu)說(shuo)明(ming)的(de),均(jun)作(zuo)為(wei)通(tong)孔(kong)考(kao)慮(lv)。
一、從設計的角度來看,一個過孔主要由兩個部分組成,一是中間的鑽孔(drill hole),二是鑽孔周圍的焊盤區。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然,在高速,高密度的PCBshejishi,shejizhezongshixiwangguokongyuexiaoyuehao,zheyangbanshangkeyiliuyougengduodebuxiankongjian,ciwai,guokongyuexiao,qizishendejishengdianrongyeyuexiao,gengshiheyongyugaosudianlu。dankongchicundejianxiaotongshidailailechengbendezengjia,erqieguokongdechicunbukenengwuxianzhidejianxiao,tashoudaozuankong(drill)和電鍍(plating)等工藝技術的限製: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隻能達到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於: 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,對於一塊厚度為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,則我們可以通過上麵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(cong)這(zhe)些(xie)數(shu)值(zhi)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu),盡(jin)管(guan)單(dan)個(ge)過(guo)孔(kong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)引(yin)起(qi)的(de)上(shang)升(sheng)延(yan)變(bian)緩(huan)的(de)效(xiao)用(yong)不(bu)是(shi)很(hen)明(ming)顯(xian),但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)走(zou)線(xian)中(zhong)多(duo)次(ci)使(shi)用(yong)過(guo)孔(kong)進(jin)行(xing)層(ceng)間(jian)的(de)切(qie)換(huan),設(she)計(ji)者(zhe)還(hai)是(shi)要(yao)慎(shen)重(zhong)考(kao)慮(lv)的(de)。
三、guokongdejishengdiangantongyang,guokongcunzaijishengdianrongdetongshiyecunzaizhejishengdiangan,zaigaosushuzidianludeshejizhong,guokongdejishengdiangandailaideweihaiwangwangdayujishengdianrongdeyingxiang。tadejishengchuanliandianganhuixueruopangludianrongdegongxian,jianruozhenggedianyuanxitongdelvboxiaoyong。womenkeyiyongxiamiandegongshilaijiandandijisuanyigeguokongjinsidejishengdiangan: 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shi中zhong心xin鑽zuan孔kong的de直zhi徑jing。從cong式shi中zhong可ke以yi看kan出chu,過guo孔kong的de直zhi徑jing對dui電dian感gan的de影ying響xiang較jiao小xiao,而er對dui電dian感gan影ying響xiang最zui大da的de是shi過guo孔kong的de長chang度du。仍reng然ran采cai用yong上shang麵mian的de例li子zi,可ke以yi計ji算suan出chu過guo孔kong的de電dian感gan為wei:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信號的上升時間是1ns,那麼其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω。這(zhe)樣(yang)的(de)阻(zu)抗(kang)在(zai)有(you)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)的(de)通(tong)過(guo)已(yi)經(jing)不(bu)能(neng)夠(gou)被(bei)忽(hu)略(lve),特(te)別(bie)要(yao)注(zhu)意(yi),旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)在(zai)連(lian)接(jie)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)地(di)層(ceng)的(de)時(shi)候(hou)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)兩(liang)個(ge)過(guo)孔(kong),這(zhe)樣(yang)過(guo)孔(kong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)就(jiu)會(hui)成(cheng)倍(bei)增(zeng)加(jia)。
四、高速PCB中的過孔設計通過上麵對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(she)計(ji)中(zhong),看(kan)似(si)簡(jian)單(dan)的(de)過(guo)孔(kong)往(wang)往(wang)也(ye)會(hui)給(gei)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)的(de)負(fu)麵(mian)效(xiao)應(ying)。為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)過(guo)孔(kong)的(de)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)帶(dai)來(lai)的(de)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang),在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)可(ke)以(yi)盡(jin)量(liang)做(zuo)到(dao):
1、從成本和信號質量兩方麵考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。比如對6-10層的內存模塊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,也可以嚐試使用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。
2、上麵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參數。
3、PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。
4、dianyuanhedideguanjiaoyaojiujindaguokong,guokongheguanjiaozhijiandeyinxianyueduanyuehao,yinweitamenhuidaozhidiangandezengjia。tongshidianyuanhedideyinxianyaojinkenengcu,yijianshaozukang。
5、在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCBbanshangdaliangfangzhiyixieduoyudejiediguokong。dangran,zaishejishihaixuyaolinghuoduobian。qianmiantaolundeguokongmoxingshimeicengjunyouhanpandeqingkuang,yeyoudeshihou,womenkeyijiangmouxiecengdehanpanjianxiaoshenzhiqudiao。tebieshizaiguokongmidufeichangdadeqingkuangxia,kenenghuidaozhizaiputongcengxingchengyigegeduanhuiludeduancao,jiejuezheyangdewentichuleyidongguokongdeweizhi,womenhaikeyikaolvjiangguokongzaigaiputongcengdehanpanchicunjianxiao。
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