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經(jīng)驗(yàn)分享:高速PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)技巧

發(fā)布時(shí)間:2015-09-17 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】在高速PCB板設(shè)計(jì)中,過(guò)孔設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素,它由孔、孔周圍的焊盤區(qū)和POWER層隔離區(qū)組成,通常分為盲孔、埋孔和通孔三類。在PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)過(guò)孔的寄生電容和寄生電感分析,總結(jié)出高速PCB板過(guò)孔設(shè)計(jì)中的一些注意事項(xiàng)。
 
目前高速PCB板的設(shè)計(jì)在通信、計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,所有高科技附加值的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)都在追求低功耗、低電磁輻射、高可靠性、小型化、輕型化等特點(diǎn),為了達(dá)到以上目標(biāo),在高速PCB板設(shè)計(jì)中,過(guò)孔設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素。
 
1、過(guò)孔
 
過(guò)孔是多層PCB板設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素,一個(gè)過(guò)孔主要由三部分組成,一是孔;二是孔周圍的焊盤區(qū);三是POWER層隔離區(qū)。過(guò)孔的工藝過(guò)程是在過(guò)孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬,用以連通中間各層需要連通的銅箔,而過(guò)孔的上下兩面做成普通的焊盤形狀,可直接與上下兩面的線路相通,也可不連。過(guò)孔可以起到電氣連接,固定或定位器件的作用。過(guò)孔示意圖如圖1 所示。
過(guò)孔示意圖
圖1:過(guò)孔示意圖
 
過(guò)孔一般又分為三類:盲孔、埋孔和通孔。
 
盲孔,指位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度與孔徑通常不超過(guò)一定的比率。
 
埋孔,指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。
 
盲孔與埋孔兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。通孔,這種孔穿過(guò)整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以一般印制電路板均使用通孔。過(guò)孔的分類如圖2 所示。
過(guò)孔的分類
圖2:過(guò)孔的分類
 
2、過(guò)孔的寄生電容
 
過(guò)孔本身存在著對(duì)地的寄生電容,若過(guò)孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過(guò)孔焊盤的直徑為D1,PCB的厚度為T,板基材介電常數(shù)為E,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于:
 
C=1.41ETD1/(D2-D1)
 
過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度,電容值越小則影響越小。
 
3、過(guò)孔的寄生電感
 
過(guò)孔本身就存在寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。過(guò)孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的作用,減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。若L指過(guò)孔的電感,h是過(guò)孔的長(zhǎng)度,d是中心鉆孔的直徑,過(guò)孔的寄生電感近似于:
 
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
 
從式中可以看出,過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。
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4、非穿導(dǎo)孔技術(shù)
 
非穿導(dǎo)孔包含盲孔和埋孔。在非穿導(dǎo)孔技術(shù)中,盲孔和埋孔的應(yīng)用,可以極大地降低PCB 的尺寸和質(zhì)量,減少層數(shù),提高電磁兼容性,增加電子產(chǎn)品特色,降低成本,同時(shí)也會(huì)使得設(shè)計(jì)工作更加簡(jiǎn)便快捷。
 
在傳統(tǒng)PCB 設(shè)計(jì)和加工中,通孔會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。首先它們占居大量的有效空間,其次大量的通孔密集一處也對(duì)多層PCB內(nèi)層走線造成巨大障礙,這些通孔占去走線所需的空間,它們密集地穿過(guò)電源與地線層的表面,還會(huì)破壞電源地線層的阻抗特性,使電源地線層失效。且常規(guī)的機(jī)械法鉆孔將是采用非穿導(dǎo)孔技術(shù)工作量的20倍。
 
在PCB設(shè)計(jì)中,雖然焊盤、過(guò)孔的尺寸已逐漸減小,但如果板層厚度不按比例下降,將會(huì)導(dǎo)致通孔的縱橫比增大,通孔的縱橫比增大會(huì)降低可靠性。隨著先進(jìn)的激光打孔技術(shù)、等離子干腐蝕技術(shù)的成熟,應(yīng)用非貫穿的小盲孔和小埋孔成為可能,若這些非穿導(dǎo)孔的孔直徑為0.3mm,所帶來(lái)的寄生參數(shù)是原先常規(guī)孔的1/ 10左右,提高了PCB的可靠性。由于采用非穿導(dǎo)孔技術(shù),使得PCB上大的過(guò)孔會(huì)很少,因而可以為走線提供更多的空間。
 
剩余空間可以用作大面積屏蔽用途,以改進(jìn)EMI / RFI 性能。同時(shí)更多的剩余空間還可以用于內(nèi)層對(duì)器件和關(guān)鍵網(wǎng)線進(jìn)行部分屏蔽,使其具有最佳電氣性能。采用非穿導(dǎo)孔,可以更方便地進(jìn)行器件引腳扇出,使得高密度引腳器件(如BGA 封裝器件)很容易布線,縮短連線長(zhǎng)度,滿足高速電路時(shí)序要求。
 
5、普通PCB 中的過(guò)孔選擇
 
在普通PCB 設(shè)計(jì)中,過(guò)孔的寄生電容和寄生電感對(duì)PCB 設(shè)計(jì)的影響較小,對(duì)1-4層PCB 設(shè)計(jì),一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm,(鉆孔/ 焊盤/POWER隔離區(qū))的過(guò)孔較好,一些特殊要求的信號(hào)線(如電源線、地線、時(shí)鐘線等)可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm的過(guò)孔,也可根據(jù)實(shí)際選用其余尺寸的過(guò)孔。
 
6、高速PCB 中的過(guò)孔設(shè)計(jì)
 
通過(guò)上面對(duì)過(guò)孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計(jì)中,看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:
 
(1)選擇合理的過(guò)孔尺寸。對(duì)于多層一般密度的PCB設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),選用0.25mm/0.51mm/0.91mm(鉆孔/ 焊盤/ POWER隔離區(qū))的過(guò)孔較好;對(duì)于一些高密度的PCB 也可以使用 0.20mm/0.46mm/0.86mm的過(guò)孔,也可以嘗試非穿導(dǎo)孔;對(duì)于電源或地線的過(guò)孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗;
 
(2)POWER 隔離區(qū)越大越好,考慮PCB上的過(guò)孔密度,一般為D1=D2+0.41mm
 
(3)PCB上的信號(hào)走線盡量不換層,也就是說(shuō)盡量減少過(guò)孔;
 
(4)使用較薄的PCB 有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù);
 
(5)電源和地的管腳要就近做過(guò)孔,過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好,因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗;
 
(6)在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地過(guò)孔,以便為信號(hào)提供短距離回路。當(dāng)然,在設(shè)計(jì)時(shí)還需具體問(wèn)題具體分析。從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婢C合考慮,在高速PCB 設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過(guò)孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。在高密度PCB設(shè)計(jì)中,采用非穿導(dǎo)孔以及過(guò)孔尺寸的減小同時(shí)帶來(lái)了成本的增加,而且過(guò)孔的尺寸不可能無(wú)限制地減小,它受到PCB廠家鉆孔和電鍍等工藝技術(shù)的限制,在高速PCB的過(guò)孔設(shè)計(jì)中應(yīng)給以均衡考慮。
 
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