不要让 PCB 过孔毁掉你的整个电路板

别让PCB过孔毁了你的整块电路板！过孔是多层PCB的重要组成部分，钻孔成本通常占PCB制造成本的30%到40%。简单来说，PCB上的每一个孔都可以称为过孔。

PCB钻孔分类

从功能角度来看，过孔可分为两类：

层间电气连接：用于连接 PCB 的不同层以实现电气目的。
元器件固定或定位：用于元器件的固定或定位。

从工艺角度来看，这些过孔一般分为三种类型：

盲孔、埋孔、通孔。

盲孔：位于PCB的顶层和底层，这些过孔具有一定的深度，用于连接表面走线和内层走线。孔的深度通常不超过一定的比例（直径）。
埋孔：这些孔位于 PCB 内层，不会延伸至板面。这两种类型的孔均位于 PCB 内层，并在层压之前使用通孔成型工艺形成，在形成孔的过程中可能会与多个内层重叠。
通孔：这些通孔穿过整个 PCB，可用于内部互连或作为元件的安装孔。

由于通孔在制造过程中更容易实现且成本较低，绝大多数印刷电路板都使用通孔，而不是其他两种类型的通孔。除非另有说明，下文提到的通孔均视为通孔。

从设计角度来看，过孔主要由两部分组成：

• 过孔组件及设计考量： PCB 设计中的过孔由中心钻孔和周围的焊盘区域组成，这些部件的尺寸决定了过孔的整体尺寸。在高速、高密度 PCB 设计中，尽可能减小过孔尺寸对于优化布线空间、降低寄生电容以及提高高速电路的适用性至关重要。

• 成本和尺寸限制：然而，通过缩小尺寸来降低制造成本会增加钻孔时间，并可能导致钻孔和电镀等工艺过程中定位偏差。当孔深超过其直径的六倍时，确保孔壁上铜镀层均匀性将变得十分困难，从而影响成本和可制造性。

• 技术进步与微孔：激光钻孔技术的最新进展使得使用更小的过孔成为可能。直径为 6 mil 或更小的过孔被称为微孔，常用于HDI设计中。这些微孔支持焊盘内过孔配置，可显著提高电路性能并节省 PCB 上的布线空间。

• 信号完整性问题：过孔会在传输线中引入阻抗不连续性，从而导致信号反射。过孔的阻抗比传输线的阻抗低约 12%，导致阻抗略微降低。尽管如此，由于设计规范和制造工艺的良好应用，实际反射系数非常小，通常在 0.06 左右。

• 寄生电容和电感：PCB设计中过孔面临的主要挑战在于如何控制寄生效应，例如电容和电感。这些因素在高频设计中至关重要，因为在高频设计中，保持信号质量和最大限度地减少传输损耗至关重要。

 过孔的寄生电容和电感

过孔的寄生电容

过孔本身对地存在寄生电容。假设已知过孔在接地层上的隔离孔直径为D2，过孔焊盘直径为D1，PCB厚度为T，基板介电常数为ε，则过孔的寄生电容约为：

C=1.41εTD1/(D2−D1)

过孔的寄生电容主要影响信号的上升时间，降低电路的速度。例如，对于厚度为50mil的PCB，如果采用内径为10mil、焊盘直径为20mil的过孔，且焊盘与地铜区之间的距离为32mil，则过孔的寄生电容可近似计算如下：

C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032−0.020)=0.517pF

该电容引起的上升时间的变化为：

T10−90​=2.2C(Z0​/2)=2.2×0.517×(55/2)=31.28ps

虽然单个过孔的电容对上升时间的影响不是很明显，但如果在走线中多次使用过孔进行层间交换，设计人员仍应慎重考虑。

过孔的寄生电感

过孔的寄生电感。过孔有寄生电容，同样也存在寄生电感。在高速数字电路设计中，过孔寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。它的寄生串联电感削弱了旁路电容的贡献，削弱了整个电源系统的滤波效果。

我们可以使用以下公式来计算过孔的近似寄生电感：

L=5.08h[ln(4h/d)+1]

其中 L 为过孔电感，h 为过孔长度，d 为中心钻孔直径。从公式可以看出，过孔直径对电感影响较小，而过孔长度则会影响电感。利用上面的例子，我们可以计算过孔电感如下：

L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH

若信号的上升时间为1ns，则其等效阻抗为：

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

当有高频电流通过时，这样的阻抗不容忽视，特别是当将旁路电容连接到电源层和地层时，需要经过两个过孔，这会使过孔的寄生电感增加一倍。

高速PCB中的过孔设计

通过上面对过孔寄生特性的分析可以看出，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往会给电路设计带来明显的负面影响。

为了减少过孔寄生效应带来的不良影响，在设计中可以尽量安排以下内容：

选择合理尺寸的过孔时，要兼顾成本和信号质量。例如，对于6-10层内存模块的PCB设计，最好使用直径为10/20 mil（钻孔/焊盘）的过孔。对于一些高密度小板，也可以尝试使用8/18 mil的过孔。在目前的技术条件下，很难使用更小的过孔。对于电源或接地过孔，可以考虑使用更大的尺寸以降低阻抗。

如上所述，使用更薄的PCB有利于降低过孔的两个寄生参数。
电源和地引脚应尽可能靠近过孔，过孔与引脚之间的引线应尽可能短，因为它们会增加电感。同时，电源和地的引线应尽可能粗，以降低阻抗。

PCB上信号布线时尽量减少使用过孔，即尽量减少不必要的过孔。
在信号换层过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供就近返回路径。甚至可以在PCB上放置大量冗余接地过孔。当然，设计中也需要灵活性和可变性。

以上关于过孔模型的讨论假设每层都有焊盘。有时，我们可以减少甚至消除某些层上的焊盘。尤其是在过孔密度很高的情况下，可能会导致槽在铜层中形成阻挡环路。除了移动过孔的位置外，我们还可以考虑减小过孔在铜层上的焊盘尺寸。

结语

PCB 过孔是多层 PCB 中的关键部件，占制造成本的很大一部分。过孔根据其功能进行分类，包括提供层间电气连接和作为元件固定装置。从工艺角度来看，过孔分为盲孔、埋孔和通孔。盲孔和埋孔位于 PCB 内层，而通孔则贯穿整个电路板。

在高速、高密度PCB设计中，设计人员力求使用更小的过孔，以最大限度地利用布线空间并降低寄生电容。然而，由于钻孔和电镀等制造工艺的限制，尺寸缩小存在一定的局限性。激光钻孔技术的发展使得微孔的使用成为可能，从而提高了电路性能并节省了空间。

尽管过孔有诸多优点，但它可能会在传输线上引入阻抗不连续性，从而导致信号反射最小化。过孔的主要问题与寄生电容和电感有关，它们会影响高速数字电路中的信号速度和滤波。为了减轻这些影响，设计人员应在高速PCB设计中仔细考虑过孔的尺寸、布局和布线策略。