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高速PCB設計的過孔

發布時間:2016-08-18 08:15:36 分類:資料中心

 中心議題:

過孔的分類 過孔的寄生電容和寄生電感 非穿導孔技術 普通pcb的過孔選擇 高速pcb的過孔設計


目前高速pcb設計在通信、計算機、圖形圖像處理等領域應用廣泛,所有高科技附加值的電子産品設計都在追求低功耗、低電磁輻射、高可靠性、小型化、輕型化等特點,為了達到以上目标,在高速pcb 設計中,過孔設計是一個重要因素。它由孔、孔周圍的焊盤區和POWER 層隔離區組成,通常分為盲孔、埋孔和通孔三類。在pcb 設計過程中通過對過孔的寄生電容和寄生電感分析,總結出高速pcb 過孔設計中的一些注意事項。

1、過孔

過孔是多層pcb 設計中的一個重要因素,一個過孔主要由三部分組成,一是孔;二是孔周圍的焊盤區;三是POWER 層隔離區。過孔的工藝過程是在過孔的孔壁圓柱面上用化學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。過孔可以起到電氣連接,固定或定位器件的作用。過孔示意圖如圖1 所示。

過孔一般又分為三類:盲孔、埋孔和通孔。

盲孔,指位于印刷線路闆的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的内層線路的連接,孔的深度與孔徑通常不超過一定的比率。

埋孔,指位于印刷線路闆内層的連接孔,它不會延伸到線路闆的表面。

盲孔與埋孔兩類孔都位于線路闆的内層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個内層。

通孔,這種孔穿過整個線路闆,可用于實現内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現,成本較低,所以一般印制電路闆均使用通孔。過孔的分類如圖2 所示。

2、過孔的寄生電容

過孔本身存在着對地的寄生電容,若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的厚度為T,闆基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:
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号的上升時間,降低了電路的速度,電容值越小則影響越小。

3、過孔的寄生電感

過孔本身就存在寄生電感,在高速數字電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。過孔的寄生串聯電感會削弱旁路電容的作用,減弱整個電源系統的濾波效用。若L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鑽孔的直徑,過孔的寄生電感近似于:L=5.08h[ln(4h/d)+1]

從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。

4、非穿導孔技術

非穿導孔包含盲孔和埋孔。

在非穿導孔技術中,盲孔和埋孔的應用,可以極大地降低pcb的尺寸和質量,減少層數,提高電磁兼容性,增加電子産品特色,降低成本,同時也會使得設計工作更加簡便快捷。在傳統pcb設計和加工中,通孔會帶來許多問題。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多層pcb内層走線造成巨大障礙,這些通孔占去走線所需的空間,它們密集地穿過電源與地線層的表面,還會破壞電源地線層的阻抗特性,使電源地線層失效。且常規的機械法鑽孔将是采用非穿導孔技術工作量的20倍。

pcb設計中,雖然焊盤、過孔的尺寸已逐漸減小,但如果闆層厚度不按比例下降,将會導緻通孔的縱橫比增大,通孔的縱橫比增大會降低可靠性。随着先進的激光打孔技術、等離子幹腐蝕技術的成熟,應用非貫穿的小盲孔和小埋孔成為可能,若這些非穿導孔的孔直徑為0.3mm,所帶來的寄生參數是原先常規孔的1/10左右,提高了pcb的可靠性。

由于采用非穿導孔技術,使得pcb上大的過孔會很少,因而可以為走線提供更多的空間。剩餘空間可以用作大面積屏蔽用途,以改進EMI/RFI性能。同時更多的剩餘空間還可以用于内層對器件和關鍵網線進行部分屏蔽,使其具有最佳電氣性能。采用非穿導孔,可以更方便地進行器件引腳扇出,使得高密度引腳器件(如BGA 封裝器件)很容易布線,縮短連線長度,滿足高速電路時序要求。

5、普通pcb 中的過孔選擇

在普通pcb 設計中,過孔的寄生電容和寄生電感對pcb 設計的影響較小,對1-4層pcb 設計,一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm(鑽孔/ 焊盤/POWER 隔離區)的過孔較好,一些特殊要求的信号線(如電源線、地線、時鐘線等)可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的過孔,也可根據實際選用其餘尺寸的過孔。

6、高速pcb 中的過孔設計

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速pcb 設計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,在設計中可以盡量做到:

(1)選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的pcb 設計來說,選用0.25mm/0.51mm/0.91mm(鑽孔/ 焊盤/ POWER 隔離區)的過孔較好;對于一些高密度的pcb 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔,也可以嘗試非穿導孔;對于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)POWER 隔離區越大越好,考慮pcb 上的過孔密度,一般為D1=D2+0.41;

(3)pcb 上的信号走線盡量不換層,也就是說盡量減少過孔;

(4)使用較薄的pcb 有利于減小過孔的兩種寄生參數;

(5)電源和地的管腳要就近過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好,因為它們會導緻電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗;

(6)在信号換層的過孔附近放置一些接地過孔,以便為信号提供短距離回路。

當然,在設計時還需具體問題具體分析。從成本和信号質量兩方面綜合考慮,在高速pcb 設計時,設計者總是希望過孔越小越好,這樣闆上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更适合用于高速電路。在高密度pcb設計中,采用非穿導孔以及過孔尺寸的減小同時帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制地減小,它受到pcb 廠家鑽孔和電鍍等工藝技術的限制,在高速pcb 的過孔設計中應給以均衡考慮。

來源:高速PCB設計的過孔

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