PCB設(shè)計(jì)中的過孔

1、. 過孔的承載電流PCB上的傳輸線銅箔，其厚度一般為1.2mil(30um)左右，而過孔內(nèi)的銅箔 厚度，一般都大于2mil，所以展開看，銅箔厚度大于傳輸線。而傳輸線打過孔時(shí)，傳輸線寬度一定會(huì)小于過孔直徑，所以過孔的銅箔寬度 也會(huì)顯著的大于傳輸線寬度。對(duì)傳輸線銅箔而言，厚度為 35um 時(shí)， 20mil 線寬 可通過電流是 1.35A。因此，對(duì)于信號(hào)過孔，承載電流能力的瓶頸不在過孔上面，而是在傳輸線上 面。對(duì)于電源過孔，一般的經(jīng)驗(yàn)是1A對(duì)應(yīng)一個(gè)過孔(VialO, Via12)，如果以更 安全的角度來看，一個(gè)(VialO, Via12)的過孔通過電流600mA是絕對(duì)安全的， 一個(gè)(Via20)的過

2、孔通過電流1A是絕對(duì)安全的。二 . 過孔的寄生電容過孔本身存在著對(duì)地的寄生電容， 如果已知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板的厚度為H,板基材介電常數(shù)為£ ,則： 過孔的寄生電容大小公式為：(近似)C=1.41 HD1/(D2-D1)其中參數(shù)的單位是( H： inch, D1/D2： inch, 計(jì)算結(jié)果單位 pF)寄生電容引起的信號(hào)上升時(shí)間變量值公式：T (10% -90%) =2.2C(Z0/2)計(jì)算結(jié)果為ps.從計(jì)算公式可以看出：過孔的寄生電容與過孔內(nèi)徑無關(guān)，與板厚成正比,與過孔外徑成正比。也就是說，過孔外徑越大，寄生電容越大；板厚越大，寄生電容越

3、大；與地層的絕緣距離設(shè)的越大，寄生電容越小。過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。舉例來說，對(duì)于一塊厚度為50mil的PCB板，如果使用內(nèi)徑為10mil, 焊盤直徑為20mil的過孔，焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為 32mil則我們可以通過上面 的公式近似算出過孔的寄生電容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517p這部分電容引起的上升時(shí)間變化量 為：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps。從這些數(shù)值可以看出，盡管 單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯，

4、但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。板厚，過孔尺寸(£ =4.2)過孔的寄生電容C 1板厚 1.6mm ( 63mil )，Via 外徑 20mil，絕緣直徑 30mil0.746pF板厚 1.6mm (63mil ) ， Via 外徑 30mil，絕緣直徑 40mil1.12pF板厚 0.8mm ( 31mil ) ， Via 外徑 20mil，絕緣直徑 30mil0.373pF板厚 1.6mm (63mil ) ， Via 外徑 30mil，絕緣直徑 40mil1.12pF表2.1典型過孔的寄生電容三. 過孔的寄生電感過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄

5、生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，過 孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。 它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁 路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地 計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感：L=5.08Hl n（4H/d）+1其中L指過孔的電感（單位nH）, H是過孔的長度（對(duì)通孔就是板的厚度，單位in ch），d是中心鉆孔的直徑（即過孔的內(nèi)徑，單位in ch）。從計(jì)算公式可以看出：過孔的直徑對(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響最 大的是過孔的長度。過孔長度越大，寄生電感越大；過孔內(nèi)徑越小，寄生電 感越大。板厚，過孔尺寸過孔的寄生電感L板厚 1.6mm (63mil ) ， Vi

6、a 內(nèi)徑 12mil1.29 nH板厚 1.6mm (63mil ) ， Via 內(nèi)徑 20mil1.13 nH板厚 0.8mm (31mil ) ， Via 內(nèi)徑 12mil0.525nHXL= n L1T-90)表3.1典型過孔的寄生電感如果信號(hào)的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為：=3.19 Q。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略特別要注意，旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過兩個(gè)過孔，這樣 過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加板厚減小，過孔的寄生電容、寄生電感都會(huì)近似成比例減小過孔內(nèi) / 外徑越小，寄生電容越小，但寄生電感會(huì)略微增加。因此，對(duì)于高 速信號(hào)， 應(yīng)該選用小過孔。 但

7、孔尺寸的減小同時(shí)帶來了成本的增加， 而且過孔的 尺寸不可能無限制的減小，它受到鉆孔（drill）和電鍍（plating）等工藝技術(shù)的限制： 孔越小，鉆孔加工工藝越難，需花費(fèi)的時(shí)間越長，也越容易偏離中心位臵；且當(dāng) 孔的深度超過鉆孔直徑的 6 倍時(shí)，就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，現(xiàn)在正常 的一塊6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil左右，所以一般PCB廠家能提 供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。建議普通設(shè)計(jì)中過孔不能小于 8mil/18mil，通 ?？梢赃x用 12mil/20mil。C=1.41 HD1/(D2-D1) pF, L=5.08Hl n(4H/d)+1 nH.C(pF)延時(shí)L(p

8、F)延時(shí)總體影響基材介質(zhì)& （4.2）正比-板厚 H(lnch)正比正比（大）Via 內(nèi)徑直徑d(Inch)反比（?。￢ia外徑直徑 D1 (Inch)正比（小）111Via反焊盤直徑D2（Inch）反比-8/16/400.8mm0.72pF0.60pF1.0mm1.2mm1.6mm1.43pF1.43 nH2.0mm2.5mm3.0mm2.69pF3.04 nH10/18/400.8mm0.74pF0.56 nH1.0mm1.2mm1.6mm1.48pF1.35 nH2.0mm2.5mm3.0mm2.77pF2.91 nH四. 過孔對(duì)高速信號(hào)的影響寄生電容的影響寄生電感的影響過孔引起

9、的Stub問題過孔本身長度引起的走線長度變化信號(hào)換層而帶來的傳輸速度不同問題五、PCB設(shè)計(jì)中推薦使用的過孔參數(shù)過孔可以分為有內(nèi)徑，外徑，熱焊盤，反焊盤，阻焊開窗等五個(gè)重要數(shù)據(jù)。 過孔是先按照外徑轉(zhuǎn)孔，然后在里面電鍍形成一個(gè)空心柱狀，即為內(nèi)徑。熱焊盤是用于設(shè)臵當(dāng)它穿透銅皮 （同一網(wǎng)絡(luò)，是穿透銅皮， 而不是連接導(dǎo)線） 時(shí)，如何與銅皮相連。反焊盤是用于設(shè)臵當(dāng)它穿透銅皮（不是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)）時(shí)，銅皮如何避讓。阻焊開窗，是設(shè)臵過孔在板上時(shí)是否裸露，以及裸露的尺寸。PADS中設(shè)置在 PADS 中，推薦的 VIA 設(shè)臵是帶有 Layer25 的數(shù)據(jù)的，它其實(shí)是用于出負(fù) 片的。出負(fù)片時(shí)，一定要把這些孔器件的Laye

10、r25加上，否則就沒有安全間距了。 負(fù)片的設(shè)臵，可能還需要仔細(xì)的研究一下。PADS中，如果在 VIA/焊盤中設(shè)臵了 Pad/Thermal/Anti-Pad，則按照設(shè)臵的來進(jìn)行。如果沒有設(shè)臵，則按照安全間距/鋪銅設(shè)臵來進(jìn)行。An ti-Pad設(shè)臵以后, 正片鋪銅時(shí)，會(huì)按照這個(gè)參數(shù)進(jìn)行避讓。 Thermal設(shè)臵以后，則在鋪銅層會(huì)調(diào)用 這個(gè)設(shè)臵。在非鋪銅層時(shí)，還是會(huì)調(diào)用 Pad的設(shè)臵。Thermal有內(nèi)徑與外徑，內(nèi) 徑應(yīng)該至少大于Via的內(nèi)徑，如果Thermal的外徑設(shè)臵小于了 Via的外徑，則是 全連接（ Cover）。這里著重有幾點(diǎn)：1. 專為高速信號(hào)設(shè)計(jì)的過孔，Via_10G,是需要與任何銅

11、皮都保持比較大的 安全間距的。在Inner層，可以通過設(shè)臵該 Via的Anti-Pad來達(dá)到目的。 一般設(shè)臵為40mil。因?yàn)檫@種過孔專用于高速信號(hào)，所以，它幾乎不會(huì)與 銅皮互聯(lián)，故Thermal方面可以不設(shè)臵（采用 Pads安全規(guī)則）。2. 專為安規(guī)設(shè)計(jì)的過孔，Via_SAFE,是需要與任何銅皮都保持很大的安全 間距的。反焊盤一般設(shè)臵為70mil或更大。Via_POE，反焊盤一般設(shè)臵為 130mil（ POE噪聲大）。這種過孔可能與銅皮互聯(lián)，也可能不互聯(lián)。3. 專為高密度BGA芯片設(shè)計(jì)的過孔，Via_BGA，是需要與銅皮保持良好的 連接的。所以對(duì)于BGA的電源/地過孔，應(yīng)該采用全連接。所以這

12、種過 孔的Thermal方面的數(shù)據(jù)，應(yīng)該是全連接（Cover）。4. 下表是從網(wǎng)絡(luò)上拷貝的某人的過孔設(shè)臵。名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via8-10G818r 2840NO用于10G信號(hào)Via8-BGA8182828NO用 0.8mm BGA區(qū)域Via8-GEN818282813用于默認(rèn)區(qū)域Via8-BGA-A820 (24):2828NO特殊過孔Via8-BGA-FULL818828NO用 0.8mm BGA區(qū)域Via8-SAFE818287013安規(guī)專用過孔表5- 1:內(nèi)徑為8mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via10-10G1022324015用于

13、10G信號(hào)Via10-BGA10223232NO用于1.0mmBGA區(qū)域Via10-GEN1022r 32r 3215用于默認(rèn)區(qū)域Via10-POE10223213015POE電源用孔Via10-BGA-10G10223240NO用于1.0mmBGA區(qū)域Via10-BGA-A10 22(24)3232:NO特殊過孔Via10-BGA-FULL10221032NO用于1.0mmBGA區(qū)域Via10-BGA-T10211032NO特殊過孔Via10-08BGA-FULL10 1181026r no特殊過孔Via10-SAFE10十22327415安規(guī)專用過孔表5-2:內(nèi)徑為10mil的過孔名稱孔徑

14、規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via1212254545NO用于默認(rèn)區(qū)域:Via12-BGA12254040NO用于 1.27mm BGA域Via12-GEN12254040 n17用于默認(rèn)區(qū)域Via12-BGA-FULL12251240NO用于 1.27mm BGA域Via12-10BGA-FULL12231234 nNO特殊過孔Via12-SAFE1225407417安規(guī)專用過孔表5-3:內(nèi)徑為12mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via14-FULL1418144519特殊過孔表5-4:內(nèi)徑為14mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via1

15、61630454521用于默認(rèn)區(qū)域Via16-FULL1630164521用于默認(rèn)區(qū)域Via16-POEr 163045156 121 :POE電源過孔Via16-SAFE1630458021安規(guī)專用過孔表5-5:內(nèi)徑為16mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via18-FULL1832185023特殊過孔表5-6:內(nèi)徑為18mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明VIA202035505025用于默認(rèn)區(qū)域Via20-full20 135205025用于默認(rèn)區(qū)域1via20-safe2035508525安規(guī)專用過孔表5-7:內(nèi)徑為20mil的過孔名稱孔徑規(guī)則

16、焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via242440555529用于默認(rèn)區(qū)域:Via24-A48V244084842948V專用過孔Via24-ALN244017017029特殊過孔Via24-POE24 1405510529 1POE電源過孔Via24-SAFE2440559029安規(guī)專用過孔表5-8:內(nèi)徑為24mil的過孔名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via404060808045用于默認(rèn)區(qū)域Via40-FULL :4060:408045用于默認(rèn)區(qū)域1Via40-SAFE40608011045安規(guī)專用過孔表5-9:內(nèi)徑為40mil的過孔補(bǔ)充說明:1. 選用過孔時(shí)，注意單板的板厚

17、/孔徑比值，現(xiàn)在工藝水平最大為12.5,常規(guī)不能大于 82. 以上所有數(shù)據(jù)，圖形為圓形，單位為 mil3. 規(guī)則焊盤一項(xiàng)數(shù)據(jù)中，如果只有一個(gè)數(shù)據(jù)，是通孔焊盤數(shù)據(jù)。如果包含兩個(gè) 數(shù)據(jù)，則括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)是內(nèi)層焊盤數(shù)據(jù)。4. 有安規(guī)要求的單板，使用安規(guī)專用過孔，即： VIA*-SAFE六. PCB設(shè)計(jì)中采用的過孔說明過孔的可制造性考慮到PCB的可制造性，過孔內(nèi)徑最小為 8mil, 10mil。對(duì)于BGA芯片，綜合考慮安全間距/線寬/過孔/鋪銅等問題，采用如下 設(shè)臵，此設(shè)臵經(jīng)過了很長時(shí)間的設(shè)計(jì)與計(jì)算，勿改動(dòng)。0.5mm Pitch的BGA:焊盤直徑大小0.24mm,安全間距3mil,線寬4mil, 過孔6

18、/12mil，必須使用盲埋孔，無法鋪銅。0.65mm Pitch的BGA :焊盤直徑大小0.35mm,安全間距3.5mil,線寬4mil， 過孔8/14/20mil，無法正片鋪銅。0.80mm Pitch的BGA:焊盤直徑大小0.4mm,安全間距5mil,線寬5mil, 過孔8/16/22mil，無法鋪銅正片鋪銅。1.00mm Pitch的BGA:焊盤直徑大小 0.55mm （最大可到0.6mm）,安全 間距5mil,線寬5mil,過孔10/18/25mil，可全面積良好鋪銅。1.27mm Pitch的BGA:焊盤直徑大小0.78mm （最大可以到 0.80mm,安全間距6mil,線寬6mil,過孔10/20/28mil，可全面積良好鋪銅。特殊過孔設(shè)計(jì)參考網(wǎng)絡(luò)上一些良好的過孔設(shè)計(jì)，綜合考慮自己的設(shè)置，有如下過孔設(shè)置：如果最嚴(yán)格器件為 0.8mm Pitch的BGA,則采用的過孔:名稱孔徑規(guī)則焊盤熱焊盤反焊盤阻焊開窗簡要說明Via8-10G816-40NO用于10G信號(hào)Via8-BGA816-NO用 0.8mm BGA區(qū)域Via8-GEN816-13用于默認(rèn)區(qū)域Vi