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如何避免高速PCB设计中过孔的负面影响

发布日期:2020-07-10

PCB通孔的基本概念

通孔是多层PCB的重要组成部分。钻孔成本通常占PCB成本的30%至40%。简而言之,PCB上的每个孔都可以称为via。从功能的角度来看,通孔可分为两类:一类用作层之间的电连接,另一类用于固定或定位设备。在工艺过程方面,这些通孔通常分为三类,即盲孔,埋孔和通孔。盲孔位于印刷电路板的顶面和底面上,并具有一定的深度。它们用于下面的表层电路和内层电路之间的连接。孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷电路板内层的连接孔,不会延伸到电路板的表面。上述两种类型的孔位于电路板的内层中,这是在层压之前通过通孔成型工艺完成的,并且在形成通孔期间,多个内层可能会重叠。

第三种称为通孔。该孔穿透整个电路板,可用于内部互连或用作组件定位孔。由于通孔在技术上更易于实现且成本更低,因此大多数印刷电路板都使用该通孔来代替其他两个通孔。除非另有说明,否则以下提到的通孔被视为通孔。

从设计的角度来看,过孔主要由两部分组成,一个是中间的钻孔,另一个是钻孔周围的焊盘区域。这两个部分的大小决定了通孔的大小。显然,在高速,高密度的PCB设计中,设计人员总是希望通孔越小越好,以便在板上留出更多的布线空间。另外,通孔越小,其自身的寄生电容越小,则更适合于高速电路。然而,孔尺寸的减小也带来了成本的增加,并且不能无限制地减小通孔的尺寸。它受到钻孔和电镀(电镀)及其他工艺技术的限制。孔越小,孔花费的时间越长,越容易偏离中心。并且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时,不能保证孔壁可以均匀地镀上铜。例如,如果正常的6层PCB的厚度(通孔深度)为50Mil,则在正常条件下,PCB制造商可以提供的最小钻孔直径仅为8Mil。随着激光钻孔技术的发展,钻孔的尺寸也可能越来越小。通常,直径为6密耳或更小的通孔称为微孔。微孔常用于HDI(高密度互连结构)设计中。微孔技术可以使过孔直接击中焊盘(通过焊盘),这大大提高了电路性能并节省了布线空间。

通孔在传输线上的阻抗中显示为离散的断点,这可能导致信号反射。通常,通孔的等效阻抗比传输线的等效阻抗低约12%。例如,当50欧姆的传输线通过通孔时,阻抗将减小6欧姆(具体与通孔的大小和板的厚度有关,而不是绝对减小)。但是,由通孔的不连续阻抗引起的反射实际上很小。反射系数仅为:(44-50)/(44 + 50)= 0.06。通孔引起的问题更多地集中在对寄生电容和电感的影响上。

通孔的寄生电容和电感

通孔本身具有寄生杂散电容。如果已知通孔接地层上的阻焊层的直径为D2,通孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基板的介电常数为ε,则通孔的寄生电容约为:C =1.41εTD1/(D2-D1)
通孔的寄生电容对电路的主要作用是延长信号的上升时间并降低电路的速度。例如,对于厚度为50Mil的PCB板,如果使用的过孔焊盘的直径为20Mil(钻孔的直径为10Mils)并且阻焊层面积的直径为40Mil,那么我们可以近似寄生上式过孔的电容:C = 1.41x4.4x0.050x0.020 /(0.040–0.020)= 0.31pF。由这部分电容引起的上升时间变化大致为:T10–90 = 2.2C(Z0 / 2)= 2.2x0 .31x(50/2)= 17.05ps
从这些值可以看出,尽管减慢单个通孔的寄生电容引起的上升延迟的效果不是很明显,但是如果在迹线中使用多个通孔在各层之间切换,则将使用多个通孔,应考虑精心设计。在实际设计中,可以通过增加通孔和铜区域之间的距离(抗焊盘)或减小焊盘的直径来减小寄生电容。
由于过孔中存在寄生电容,因此也存在寄生电感。在高速数字电路的设计中,通孔的寄生电感造成的危害通常大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感将削弱旁路电容器的作用,并削弱整个电源系统的滤波效果。我们可以使用以下经验公式来简单计算通孔的近似寄生电感:L = 5.08h [ln(4h / d)+1]。 L表示通孔的电感,h是通孔的长度,d是中心孔的直径。从公式可以看出,通孔的直径对电感的影响很小,而通孔的长度对电感的影响最大。仍然使用以上示例,可以将通孔的电感计算为:L = 5.08x0.050 [ln(4x0.050 / 0.010)+1] = 1.015nH。如果信号的上升时间为1ns,则其等效阻抗大小为:XL =πL/ T10–90 =3.19Ω。当通过高频电流时,这种阻抗不能忽略。重要的是要注意,在连接电源层和接地层时,旁路电容器需要通过两个通孔,因此通孔的寄生电感将成倍增加。

如何设计应用PCB过孔

通过对通孔的寄生特性的上述分析,我们可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的通孔通常会给电路设计带来很大的负面影响。为了减少由通孔的寄生效应引起的不利影响,在设计中,您可以做的尽可能多:


1.从成本和信号质量两个方面,选择通孔尺寸的合理尺寸。如有必要,可以考虑使用不同大小的通孔。例如,对于电源或接地过孔,可以考虑使用更大的尺寸以减小阻抗。对于信号走线,可以使用较小的过孔。当然,随着通孔尺寸的减小,相应的成本也会增加。
2.上面讨论的两个公式可以得出结论,使用较薄的PCB板有助于减少过孔的两个寄生参数。
3. PCB板上的信号走线不应尽可能多地改变层数,也就是说,尽量不要使用不必要的过孔。
4.电源和接地针应穿过该孔。孔和销之间的引线越短越好。您可以考虑并联多个通孔以减小等效电感。
5.在通孔附近放置一些接地的通孔,以进行信号转换,以提供最接近信号的环路。您甚至可以在PCB上放置一些额外的接地过孔。
6.对于高密度高速PCB板,请考虑使用微型过孔。

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