PCB过孔设计

发布时间:2024-02-12 01:04|栏目: 行业动态 |浏览次数:
  1. PCB 过孔定义

  2. PCB 过孔(Via)分类

  3. PCB过孔优点/危害

  4. PCB 过孔在高速线路中等效模型

  5. PCB 导线及过孔等效计算公式

  6. PCB 过孔设计规范

  7. 失败案例分享

1.PCB 过孔定义

   在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上的一个公共孔,即过孔。在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状。过孔的参数主要有孔的外径,焊环和钻孔尺寸。

2.PCB 过孔(Via)分类


   I)从作用上分为两类:1)层间电气连接 2)器件固定或定位。

   II)从工艺上分为三类:

   1)通孔:贯穿于整个(所有层)线路板的孔。可用于实现内部线路连通或作为元件的安装定位孔。通孔在工艺上好实现,成本较低,所以一般印制电路板均使用通孔。通孔又分为 沉铜孔和非沉铜孔。 即:PTH 与NPTH(No plating though hole)。

   2)盲孔:指位于印刷线路板的顶层和底层表面,具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有一定的比率。跨层越多对应工艺实现难度越大,价格越高昂。通常建议1-2,3-4(四层板工艺)!

  3)埋孔,指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。跨层越多对应工艺实现难度越大,价格越高昂。

 如下图所示

3.PCB过孔优点/危害

  优点:信号连通,替代了之前跳线连接工艺,使工艺更加简单,提高生产效率。

  缺点:过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。在传输线路上表现为阻抗不连续的断点,高速信号上延时等等。在电源系统中,寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效果。

4.PCB 过孔在高速线路中等效模型

过孔都会导致有寄生电容和寄生电感的产生,在低速线路或音频线路表现不会太明显,但在高速线路中会产生延时或波形的畸变,变得不可忽略,甚至会影响系统设计成败。过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点,会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右,比如50欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆(具体和过孔的尺寸,板厚也有关,不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的,其反射系数仅为:(44-50)/(44+50)=0.06,过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。

  一、过孔的寄生电容和电感

 例如:

过孔本身存在着寄生的杂散电容,如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:

 T=过孔深度;D1=为通孔直径;D2=焊盘区直径;
过孔的寄生电容存在会给电路造成的主要影响:延长了信号的上升时间。在一些高速信号中(如差分对 或 取样上升沿判定数据的信号)会导致系统出错或不稳定。举例来说,对于一块厚度为1mm的PCB板,如果使用的过孔焊盘直径为0.4mm(钻孔直径为0.2mm),阻焊区直径为0.7mm,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:


C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF


这部分电容引起的上升时间变化量大致为:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps


从这些数值可以看出,尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,就会用到多个过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离(Anti-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

过孔长度由1.0 mm增加至2.0 mm时,由于过孔电感的迅速增加,导致过孔阻抗也迅速增加,即过孔长度越大,过孔阻抗不连续性越差。试验还表明,当过孔长度在1.0 mm范围内时,通过过孔参数优化,可以将过孔引起的阻抗变化控制在10%内,但过孔长度超过1.5 mm时,过孔阻抗不连续性问题变得难以解决。

图2为过孔孔径对过孔阻抗的影响。由图看出,当过孔孔径由0.20 mm增加至0.50 mm时,过孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。这主要是由于过孔孔径增加后导致过孔电容增加,而过孔阻抗与电容呈反比。对于过孔长度大于2.0 mm过孔,通过增加过孔孔径,可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时,最佳过孔孔径为0.20-0.30 mm。

图3为过孔焊盘尺寸对过孔阻抗的影响。由图看出,当过孔焊盘直径由0.45 mm增加至0.55 mm时,过孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。这是由于过孔焊盘尺寸增加,同样会导致过孔电容增加。由测试结果可以得出,过孔焊盘尺寸每增加0.05 mm,过孔阻抗约下降0.5-0.7 ohm。

图4显示了反焊盘尺寸对过孔阻抗的影响。由图看出,当反焊盘尺寸由0.40 mm增加至1.2 mm时,过孔阻抗由57.1 ohm增加至61.7 ohm。这表明通过优化过孔反焊盘尺寸,同样可以起到改善过孔阻抗的连续性的效果。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

对于一个4层板,当信号由顶层传输线转至底层时,可能会出现两种情况(见图5)。图5(A)表示信号过孔旁没有地孔的情况,此时信号通过过孔时,返回路径通过两地层返回,未受控的返回电流产生了地弹效应,且信号通过过孔时产生的电磁波(EM)在两底层上传输,导致电压波动,引起信号完整性问题[9-10]。图5(B)为增加接地孔情况,此时接地孔为过孔信号提供了完整的返回路径,同时也为过孔信号提供了参考孔,从而提高了信号过孔的阻抗连续性,并减小信号损耗。这里主要研究了接地孔对过孔阻抗及损耗的影响。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

试验在单端信号过孔旁增加了1至4个接地孔参考孔,研究了接地孔数量对单端过孔阻抗的影响,结果见图6。由图看出,过孔阻抗随接地孔数量增加而降低。这是由于随接地孔数量增加,信号过孔与地孔间电容增加,即调整接地孔数量可有效控制过孔阻抗。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

图7显示了信号孔与接地孔距离对过孔阻抗的影响。由图看出,当信号孔与接地孔距离由0.40 mm增加至0.70 mm时,过孔阻抗呈不断增加趋势。与传输线以地层作为参考层类似,增加接地孔后,信号过孔以接地孔为参考孔。当信号孔与接地孔距离增加后,信号孔与接地孔间电容降低,过孔阻抗增加。由此可见,通过调整信号孔与接地孔之间的距离,可实现对过孔阻抗的控制。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

通过以上试验可以发现,当有4个接地孔围绕在信号孔周围时(效果见图8),其结构类似同轴电缆。此时单端过孔阻抗可通过同轴电缆阻抗公式(公式1)进行近似计算[11]。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

通过公式(1)可以计算出不同设计参数时的过孔阻抗,结果见表1。由表看出,过孔阻抗理论计算值与测量结果基本一致。这表明该结构过孔的过孔阻抗可采用同轴电缆阻抗公式进行近似计算。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响

图9为过孔孔径为0.20 mm、过孔长度为1.0 mm时接地孔及数量对过孔损耗的影响。由图看出,增加接地孔后,过孔损耗明显降低,且接地孔数量越多,过孔损耗越小。这是由于接地参考孔为过孔信号提供了完整的返回路径,使过孔导致的阻抗不连续程度明显降低,阻抗不连续引起的信号反射减弱,因此过孔损耗减小。增加接地孔后,还可以减弱信号过孔间的串扰,提高过孔信号传输质量。同时,接地孔还可以避免辐射导致的EMC/EMI问题[4]。

多余短柱对过孔阻抗和损耗的影响
在高速多层PCB中,当信号从顶层传输到内部某层时,用通孔连接就会产生多余的导通孔短柱,短柱极大地影响着信号的传输质量。当信号在通过过孔传输到阻抗匹配的另一层线路时,会有一部分能量被传递到过孔的短柱上,而这一部分由于没有任何的阻抗终结,所以可以被看作是全开路状态,因此这个分支便会造成剩余能量的全反射,这大大地削弱了信号质量,损坏了原始信号的完整性[1]。采用盲孔和埋孔,可有效避免短柱对信号完整性的影响,但该技术工艺复杂且成本高。而采用背钻技术将信号孔中多余的短柱钻掉,可获得更好的过孔信号传输质量,所以,研究短柱对过孔信号完整性的影响有助于平衡成本与性能。
为研究短柱对过孔信号完整性的影响,试验通过采用背钻技术,控制背钻深度方法获得了不同短柱长度的单端过孔。图10为多余短柱长度对过孔阻抗的影响。由图看出,当多余短柱长度由0.20 mm增加至0.80 mm时,过孔阻抗呈不断下降趋势;多余短柱长度每增加0.10 mm,过孔阻抗约下降0.40-0.90 ohm。


这里还研究了多余短柱对过孔损耗的影响。图11显示了过孔多余短柱长度由0.20 mm增加至0.80 mm时过孔损耗变化情况。由图看出,随多余短柱长度的增加,过孔损耗呈现出明显增加趋势,且短柱越长谐振幅度越大;10GHz频率下,多余短柱长度每增加0.10 mm,过孔损耗增加0.15 dB。试验还表明,信号过孔孔径越大,多余短柱对过孔阻抗、损耗的影响越大。

多余短柱会导致过孔电容增加,且短柱长度越大,电容越高,而电容增加会导致谐振频率降低,从而使谐振点附近的损耗变大。谐振频率与电容、电感关系可用公式(2)进行描述。图12显示了不同短柱长度情况下的谐振情况。由图可以看出,多余短柱越长,谐振频率越低。当短柱长度分别为0.20 mm、0.45 mm和0.80 mm时,各过孔第二次谐振频率分别11.03 GHz、10.99 GHz、10.92 GHz,第三次谐振频率分别为12.66 GHz、12.52GHz和12.39 GHz。

  通过对过孔设计参数孔径、过孔长度、焊盘/反焊盘尺寸进行优化可有效提高过孔阻抗连续性。当过孔长度小于1.0 mm时,可通过对这4个设计参数进行优化,将过孔引起的阻抗变化控制在10%以内。为过孔信号提供返回路径,可实现对过孔阻抗的控制,并能降低过孔的信号损耗。采用4个接地参考孔时,过孔阻抗可通过同轴电缆阻抗公式近似计算。多余短柱会导致过孔阻抗降低,损耗增加。

  过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

L=5.08h[ln(4h/d)+1]
其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

5.PCB 导线及过孔等效计算公式

 1)导线电感

  2)PCB走线电感

  3)过孔电感计算

  4)过孔电容计算

6.PCB 过孔设计规范

1)最小过孔间距:

     过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一,钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。需要

打过孔的地方,按设计要求打过孔,不要品质过剩,导致成本上涨。

   在高速线路中基于法拉第电磁屏蔽原理,当孔与孔之间的间距满足波长1/20时,对电磁波有很好的屏蔽

作用。依据下面的计算公式,当f=2.4GHz, Er=4.2时 计算过孔之间的间距为3mm。

                                     △d=(3x10*8)/(2.4X10*9)x4.2*0.5=3mm

    2)为对EMC有较好的抑制作用,减少边缘效应,PCB最外层不宜走线。最好用一圈过孔对基板做屏蔽。

   在PCB满足条件情况下可使用20H法则。

3)其它规范:

1.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小(高密度板可选择0.2孔径/0.2焊环;通用选择0.3孔径/0.2焊环)。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔,比如对于电源或地线的过孔,可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗,而对于信号走线,则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小,相应的成本也会增加,工艺实现难度会加大,这部分按0.3/0.2mm规范实施。
2.上面讨论过的公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3.PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4.电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔,以减少等效电感。
5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地过孔。
6.对于密度较高的高速PCB板,可以考虑使用微型过孔(如盲孔:0.1孔径/0.1mm焊环)。

7. 过孔不能放置在SMT的的焊盘上(电阻/电容等);理论上放置在焊盘上引线电感小,但是生产的时候,锡膏容易进去过孔,造成锡膏不均匀造成器件立起来的现象

 图A,错误

 

图B,正确

 图A 不允许,要用图B过孔连接方式

8.高频滤波电容,例如:8.2P,47P通常给到三个以上的过孔到地。且保证过孔与IC在同一层。
9. DC-DC一类大的滤波电容加3到5个过孔。
10.为防止干扰,通常CLK,SDRAM,TDMA需要加过孔加以保护。
11.铜皮的转折处一定要加过孔(如图所示)。

  12.信号线换层时候,过孔要相应的切换。

13. 音频信号需要加过孔隔离保护,因为EMC测试时候通常从音频信号注入高频信号。
     

14.特殊过孔:屏蔽罩(防静电,防干扰)接地以1.25mm间距加过孔。

15. 生产要求过孔的孔径不能超过0.9mm(散热窗口)。
16.需要手动焊线的焊盘,需要从焊盘中间打通孔过度到底层,以增加焊盘强度,以免在焊锡作业时将焊盘拉掉,引起作业不良。
17.需要防水或密封区域(防漏气),过孔需要做成全塞孔且加盖白油,过孔孔径不能超过0.4mm。
18.PCB基板的厚度与孔径比(厚径比),不要超过10:1(除非得到厂商回复且成本符合要求)。我们合作厂商一般能做的能力8:1.
19. PCB LAYOUT 很容易掉 通常通过GLUE锁定或者是引线出来再过孔可以有效的预防。同时要记得随时     备份。

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