干货!过孔对高频信号传输的影响

2024-11-03

过孔的基本概念

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%。简单的说来,PCB
上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看,过孔可以分成两类:一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说,这些过孔一般又分为三类,即盲孔(blind
via)、埋孔(buried via)和通孔(through
via)。盲孔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,孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是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。上述两类孔都位于线路板的内层,层压前利用通孔成型工艺完成,在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。

第三种称为通孔,这种孔穿过整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以绝大部分印刷电路板均使用它,而不用另外两种过孔。以下所说的过孔,没有特殊说明的,均作为通孔考虑。

从设计的角度来看,一个过孔主要由两个部分组成,一是中间的钻孔(drill
hole),二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然,在高速,高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这样板上可以留有更多的布线空间,此外,过孔越小,其自身的寄生电容也越小,更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加,而且过孔的尺寸不可能无限制的减小,它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制:孔越小,钻孔需花费的时间越长,也越容易偏离中心位置;且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时,就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如,如果一块正常的6
层PCB 板的厚度(通孔深度)为50Mil,那么,一般条件下PCB
厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。随着激光钻孔技术的发展,钻孔的尺寸也可以越来越小,一般直径小于等于6Mils
的过孔,我们就称为微孔。在HDI(高密度互连结构)设计中经常使用到微孔,微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上(Via-in-pad),这大大提高了电路性能,节约了布线空间。

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。

过孔(Via)在PCB多层板设计中被广泛应用,但过孔若是处理不当,很有可能对高频信号传输产生不良影响,所以工程师在设计高频电路时,若是要用到过孔,需要知道以下的知识。

从作用上来看,过孔的作用大致上可归类为:用作各层间的电气连接和用作器件的固定或定位;从工艺支撑上来看,过孔可分为盲孔、埋孔及通孔。

盲孔位于PCB板的顶层和底层表面,具有一定的深度,常用于表层线路和下面的内层线路的连接,注意孔的深度不超过一定的比率(孔径);而埋孔是指位于PCB板内层的连接孔,不会延伸到线路板的表面,盲孔及埋孔都位于PCB板内层,,而通孔是横穿过整个线路板,它的功能是用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔,由于通孔在个以上更容易实现,且成本较低,所以很多电路板会采用通孔,下面所说的过孔,若没有特殊说明,均作为通孔考虑。

一般来说,过孔的尺寸大小将由中间钻孔及钻孔周围的焊盘区所决定,在高速高密度PCB设计时,国控越小越好,因为可以留出更多的布线空间,而且自身寄生电容更小。

同时呢,过孔的设置也要注意以下几方面:

电感和电容:
过孔的存在会引入额外的电感和电容。这些电感和电容值可能较小,但在高频信号传输中会产生显著的影响。电感会导致信号的延迟,而电容则会降低信号的带宽。

串扰和反射:
过孔可以导致信号串扰和反射。串扰是因为信号在过孔附近的地区传播,可能干扰其他信号线。反射是因为信号在过孔处会部分反射回去,引起波形失真。

阻抗匹配:
过孔的存在会改变信号线的阻抗。在高频电路中,阻抗匹配非常重要,因为不匹配的阻抗会导致信号反射和丧失。电子工程师需要采取措施来确保过孔的影响不会破坏阻抗匹配。

损耗: 过孔的存在还会引入信号的额外损耗。这种损耗可能不明显,但在高频应用中需要仔细考虑。

布局和设计: 考虑过孔的位置和布局对于减小其影响至关重要。合理的布局可以减小串扰和反射,同时确保信号线的阻抗匹配。

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