PCB設計中的過孔

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，傳輸線寬度一定會小于過孔直徑，所以過孔的銅箔寬度 也會顯著的大于傳輸線寬度。對傳輸線銅箔而言，厚度為 35um 時， 20mil 線寬 可通過電流是 1.35A。因此，對于信號過孔，承載電流能力的瓶頸不在過孔上面，而是在傳輸線上 面。對于電源過孔，一般的經(jīng)驗是1A對應一個過孔(VialO, Via12)，如果以更 安全的角度來看，一個(VialO, Via12)的過孔通過電流600mA是絕對安全的， 一個(Via20)的過

2、孔通過電流1A是絕對安全的。二 . 過孔的寄生電容過孔本身存在著對地的寄生電容， 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, 計算結果單位 pF)寄生電容引起的信號上升時間變量值公式：T (10% -90%) =2.2C(Z0/2)計算結果為ps.從計算公式可以看出：過孔的寄生電容與過孔內徑無關，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的越大，寄生電容越小。過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度。舉例來說，對于一塊厚度為50mil的PCB板，如果使用內徑為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行層間的切換，設計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也存在著寄

5、生電感，在高速數(shù)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。 它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁 路電容的貢獻，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地 計算一個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（即過孔的內徑，單位in ch）。從計算公式可以看出：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。過孔長度越大，寄生電感越大；過孔內徑越小，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 內徑 12mil1.29 nH板厚 1.6mm (63mil ) ， Via 內徑 20mil1.13 nH板厚 0.8mm (31mil ) ， Via 內徑 12mil0.525nHXL= n L1T-90)表3.1典型過孔的寄生電感如果信號的上升時間是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候需要通過兩個過孔，這樣 過孔的寄生電感就會成倍增加板厚減小，過孔的寄生電容、寄生電感都會近似成比例減小過孔內 / 外徑越小，寄生電容越小，但寄生電感會略微增加。因此，對于高 速信號， 應該選用小過孔。 但

7、孔尺寸的減小同時帶來了成本的增加， 而且過孔的 尺寸不可能無限制的減小，它受到鉆孔（drill）和電鍍（plating）等工藝技術的限制： 孔越小，鉆孔加工工藝越難，需花費的時間越長，也越容易偏離中心位臵；且當 孔的深度超過鉆孔直徑的 6 倍時，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到8Mil。建議普通設計中過孔不能小于 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L(p

8、F)延時總體影響基材介質& （4.2）正比-板厚 H(lnch)正比正比（大）Via 內徑直徑d(Inch)反比（?。￢ia外徑直徑 D1 (Inch)正比（?。?11Via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. 過孔對高速信號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換層而帶來的傳輸速度不同問題五、PCB設計中推薦使用的過孔參數(shù)過孔可以分為有內徑，外徑，熱焊盤，反焊盤，阻焊開窗等五個重要數(shù)據(jù)。 過孔是先按照外徑轉孔，然后在里面電鍍形成一個空心柱狀，即為內徑。熱焊盤是用于設臵當它穿透銅皮 （同一網(wǎng)絡，是穿透銅皮， 而不是連接導線） 時，如何與銅皮相連。反焊盤是用于設臵當它穿透銅皮（不是一個網(wǎng)絡）時，銅皮如何避讓。阻焊開窗，是設臵過孔在板上時是否裸露，以及裸露的尺寸。PADS中設置在 PADS 中，推薦的 VIA 設臵是帶有 Layer25 的數(shù)據(jù)的，它其實是用于出負 片的。出負片時，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。 負片的設臵，可能還需要仔細的研究一下。PADS中，如果在 VIA/焊盤中設臵了 Pad/Thermal/Anti-Pad，則按照設臵的來進行。如果沒有設臵，則按照安全間距/鋪銅設臵來進行。An ti-Pad設臵以后, 正片鋪銅時，會按照這個參數(shù)進行避讓。 Thermal設臵以后，則在鋪銅層會調用 這個設臵。在非鋪銅層時，還是會調用 Pad的設臵。Thermal有內徑與外徑，內 徑應該至少大于Via的內徑，如果Thermal的外徑設臵小于了 Via的外徑，則是 全連接（ Cover）。這里著重有幾點：1. 專為高速信號設計的過孔，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，可以通過設臵該 Via的Anti-Pad來達到目的。 一般設臵為40mil。因為這種過孔專用于高速信號，所以，它幾乎不會與 銅皮互聯(lián)，故Thermal方面可以不設臵（采用 Pads安全規(guī)則）。2. 專為安規(guī)設計的過孔，Via_SAFE,是需要與任何銅皮都保持很大的安全 間距的。反焊盤一般設臵為70mil或更大。Via_POE，反焊盤一般設臵為 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芯片設計的過孔，Via_BGA，是需要與銅皮保持良好的 連接的。所以對于BGA的電源/地過孔，應該采用全連接。所以這

12、種過 孔的Thermal方面的數(shù)據(jù)，應該是全連接（Cover）。4. 下表是從網(wǎng)絡上拷貝的某人的過孔設臵。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Via8-BGA8182828NO用 0.8mm BGA區(qū)域Via8-GEN818282813用于默認區(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Via10-BGA10223232NO用于1.0mmBGA區(qū)域Via10-GEN1022r 32r 3215用于默認區(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用于默認區(qū)域:Via12-BGA12254040NO用于 1.27mm BGA域Via12-GEN12254040 n17用于默認區(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用于默認區(qū)域Via16-FULL1630164521用于默認區(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用于默認區(qū)域Via20-full20 135205025用于默認區(qū)域1via20-safe2035508525安規(guī)專用過孔表5-7:內徑為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用于默認區(qū)域Via40-FULL :4060:408045用于默認區(qū)域1Via40-SAFE40608011045安規(guī)專用過孔表5-9:內徑為40mil的過孔補充說明:1. 選用過孔時，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)則焊盤一項數(shù)據(jù)中，如果只有一個數(shù)據(jù)，是通孔焊盤數(shù)據(jù)。如果包含兩個 數(shù)據(jù)，則括號內數(shù)據(jù)是內層焊盤數(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設計中采用的過孔說明過孔的可制造性考慮到PCB的可制造性，過孔內徑最小為 8mil, 10mil。對于BGA芯片，綜合考慮安全間距/線寬/過孔/鋪銅等問題，采用如下 設臵，此設臵經(jīng)過了很長時間的設計與計算，勿改動。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。特殊過孔設計參考網(wǎng)絡上一些良好的過孔設計，綜合考慮自己的設置，有如下過孔設置：如果最嚴格器件為 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Via8-BGA816-NO用 0.8mm BGA區(qū)域Via8-GEN816-13用于默認區(qū)域Vi