多(duō)層PCB設計(jì)之過孔

       過孔(via)是多(duō)層PCB的重要組成部分之一，鑽孔的費用通(tōng)常占PCB制(zhì)闆費用的30%到40%.簡單的說來(lái)，PCB上(shàng)的每一個(gè)孔都可(kě)以稱之為(wèi)過孔。從作(zuò)用上(shàng)看，過孔可(kě)以分成兩類：一是用作(zuò)各層間(jiān)的電(diàn)氣連接;二是用作(zuò)器(qì)件的固定或定位。 

    如果從工藝制(zhì)程上(shàng)來(lái)說，這些(xiē)過孔一般又分為(wèi)三類，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和(hé)通(tōng)孔(through via)。盲孔位于印刷線路闆的頂層和(hé)底層表面，具有(yǒu)一定深度，用于表層線路和(hé)下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通(tōng)常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路闆內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路闆的表面。上(shàng)述兩類孔都位于線路闆的內(nèi)層，層壓前利用通(tōng)孔成型工藝完成，在過孔形成過程中可(kě)能還(hái)會(huì)重疊做(zuò)好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱為(wèi)通(tōng)孔，這種孔穿過整個(gè)線路闆，可(kě)用于實現內(nèi)部互連或作(zuò)為(wèi)元件的安裝定位孔。由于通(tōng)孔在工藝上(shàng)更易于實現，成本較低(dī)，所以絕大(dà)部分印刷電(diàn)路闆均使用它，而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔，沒有(yǒu)特殊說明(míng)的，均作(zuò)為(wèi)通(tōng)孔考慮。 
   一、從設計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成，一是中間(jiān)的鑽孔(drill hole)，二是鑽孔周圍的焊盤區(qū)，見下圖。這兩部分的尺寸大(dà)小(xiǎo)決定了過孔的大(dà)小(xiǎo)。很(hěn)顯然，在高(gāo)速，高(gāo)密度的PCB設計(jì)時(shí)，設計(jì)者總是希望過孔越小(xiǎo)越好，這樣闆上(shàng)可(kě)以留有(yǒu)更多(duō)的布線空(kōng)間(jiān)，此外，過孔越小(xiǎo)，其自身的寄生(shēng)電(diàn)容也越小(xiǎo)，更适合用于高(gāo)速電(diàn)路。但(dàn)孔尺寸的減小(xiǎo)同時(shí)帶來(lái)了成本的增加，而且過孔的尺寸不可(kě)能無限制(zhì)的減小(xiǎo)，它受到鑽孔(drill)和(hé)電(diàn)鍍(plating)等工藝技(jì)術(shù)的限制(zhì)：孔越小(xiǎo)，鑽孔需花(huā)費的時(shí)間(jiān)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(shí)，就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，現在正常的一塊6層PCB闆的厚度(通(tōng)孔深度)為(wèi)50Mil左右，所以PCB廠家(jiā)能提供的鑽孔直徑最小(xiǎo)隻能達到8Mil.二、過孔的寄生(shēng)電(diàn)容過孔本身存在着對地的寄生(shēng)電(diàn)容，如果已知過孔在鋪地層上(shàng)的隔離孔直徑為(wèi)D2，過孔焊盤的直徑為(wèi) D1，PCB闆的厚度為(wèi)T，闆基材介電(diàn)常數(shù)為(wèi)ε，則過孔的寄生(shēng)電(diàn)容大(dà)小(xiǎo)近似于：C=1.41εTD1/(D2-D1) 
   二、過孔的寄生(shēng)電(diàn)容會(huì)給電(diàn)路造成的主要影(yǐng)響是延長了信号的上(shàng)升時(shí)間(jiān)，降低(dī)了電(diàn)路的速度。舉例來(lái)說，對于一塊厚度為(wèi)50Mil的PCB闆，如果使用內(nèi)徑為(wèi)10Mil，焊盤直徑為(wèi)20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為(wèi)32Mil，則我們可(kě)以通(tōng)過上(shàng)面的公式近似算(suàn)出過孔的寄生(shēng)電(diàn)容大(dà)緻是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，這部分電(diàn)容引起的上(shàng)升時(shí)間(jiān)變化量為(wèi)：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps .從這些(xiē)數(shù)值可(kě)以看出，盡管單個(gè)過孔的寄生(shēng)電(diàn)容引起的上(shàng)升延變緩的效用不是很(hěn)明(míng)顯，但(dàn)是如果走線中多(duō)次使用過孔進行(xíng)層間(jiān)的切換，設計(jì)者還(hái)是要慎重考慮的。 
    三、過孔的寄生(shēng)電(diàn)感同樣，過孔存在寄生(shēng)電(diàn)容的同時(shí)也存在着寄生(shēng)電(diàn)感，在高(gāo)速數(shù)字電(diàn)路的設計(jì)中，過孔的寄生(shēng)電(diàn)感帶來(lái)的危害往往大(dà)于寄生(shēng)電(diàn)容的影(yǐng)響。它的寄生(shēng)串聯電(diàn)感會(huì)削弱旁路電(diàn)容的貢獻，減弱整個(gè)電(diàn)源系統的濾波效用。我們可(kě)以用下面的公式來(lái)簡單地計(jì)算(suàn)一個(gè)過孔近似的寄生(shēng)電(diàn)感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指過孔的電(diàn)感，h是過孔的長度，d是中心鑽孔的直徑。從式中可(kě)以看出，過孔的直徑對電(diàn)感的影(yǐng)響較小(xiǎo)，而對電(diàn)感影(yǐng)響最大(dà)的是過孔的長度。仍然采用上(shàng)面的例子，可(kě)以計(jì)算(suàn)出過孔的電(diàn)感為(wèi)：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH .如果信号的上(shàng)升時(shí)間(jiān)是1ns，那(nà)麽其等效阻抗大(dà)小(xiǎo)為(wèi)：XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有(yǒu)高(gāo)頻電(diàn)流的通(tōng)過已經不能夠被忽略，特别要注意，旁路電(diàn)容在連接電(diàn)源層和(hé)地層的時(shí)候需要通(tōng)過兩個(gè)過孔，這樣過孔的寄生(shēng)電(diàn)感就會(huì)成倍增加。 
    四、高(gāo)速PCB中的過孔設計(jì)通(tōng)過上(shàng)面對過孔寄生(shēng)特性的分析，我們可(kě)以看到，在高(gāo)速PCB設計(jì)中，看似簡單的過孔往往也會(huì)給電(diàn)路的設計(jì)帶來(lái)很(hěn)大(dà)的負面效應。為(wèi)了減小(xiǎo)過孔的寄生(shēng)效應帶來(lái)的不利影(yǐng)響，在設計(jì)中可(kě)以盡量做(zuò)到：1、從成本和(hé)信号質量兩方面考慮，選擇合理(lǐ)尺寸的過孔大(dà)小(xiǎo)。比如對6-10層的內(nèi)存模塊 PCB設計(jì)來(lái)說，選用10/20Mil(鑽孔/焊盤)的過孔較好，對于一些(xiē)高(gāo)密度的小(xiǎo)尺寸的闆子，也可(kě)以嘗試使用8/18Mil的過孔。目前技(jì)術(shù)條件下，很(hěn)難使用更小(xiǎo)尺寸的過孔了。對于電(diàn)源或地線的過孔則可(kě)以考慮使用較大(dà)尺寸，以減小(xiǎo)阻抗。 
    1、上(shàng)面討(tǎo)論的兩個(gè)公式可(kě)以得(de)出，使用較薄的PCB闆有(yǒu)利于減小(xiǎo)過孔的兩種寄生(shēng)參數(shù)。 
    2、PCB闆上(shàng)的信号走線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。 
    3、電(diàn)源和(hé)地的管腳要就近打過孔，過孔和(hé)管腳之間(jiān)的引線越短(duǎn)越好，因為(wèi)它們會(huì)導緻電(diàn)感的增加。同時(shí)電(diàn)源和(hé)地的引線要盡可(kě)能粗，以減少(shǎo)阻抗。
    4、在信号換層的過孔附近放置一些(xiē)接地的過孔，以便為(wèi)信号提供最近的回路。甚至可(kě)以在PCB闆上(shàng)大(dà)量放置一些(xiē)多(duō)餘的接地過孔。當然，在設計(jì)時(shí)還(hái)需要靈活多(duō)變。前面討(tǎo)論的過孔模型是每層均有(yǒu)焊盤的情況，也有(yǒu)的時(shí)候，我們可(kě)以将某些(xiē)層的焊盤減小(xiǎo)甚至去掉。特别是在過孔密度非常大(dà)的情況下，可(kě)能會(huì)導緻在鋪銅層形成一個(gè)隔斷回路的斷槽，解決這樣的問題除了移動過孔的位置，我們還(hái)可(kě)以考慮将過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小(xiǎo)。