PCB的过孔设计不容小觑,特别是对于高速PCB而言

时间:2019-08-04 来源:www.cmlm.net

目前,高速PCB的设计广泛应用于通信,计算机,图形图像处理等领域。所有高科技增值电子产品均设计具有低功耗,低电磁辐射,高可靠性,小型化和轻量化的特点。为了实现上述目标,通孔设计是高速PCB设计的重要因素。

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它由孔,孔周围的垫区和POWER层隔离区组成,通常分为盲孔,埋孔和通孔。通过分析过孔的寄生电容和寄生电感,在PCB设计过程中总结了高速PCB过孔设计中的一些注意事项。

1.通孔

Via是多层PCB设计中的重要因素。一个通道主要由三部分组成,一个是孔;另一个是洞周围的垫区;第三个是POWER层隔离区。通孔工艺是在通孔的通孔的圆柱形表面上化学沉积金属层以连接在中间层中连接的铜箔的方法,并且通孔的上侧和下侧制成进入普通垫。形状可以直接连接到上侧和下侧的线,或不。通孔可用于电连接,固定或定位设备。通孔原理图如图1所示。

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过孔通常分为三类:盲孔,埋孔和过孔。

1)位于印刷电路板顶面和底面上的盲孔具有一定的深度,用于连接表面线和下面的内线。孔的深度和孔径通常不超过一定比例。

2)埋孔是指位于印刷电路板内层的连接孔,它不延伸到电路板的表面。

盲孔和埋孔都位于电路板的内层中,并且在层压之前通过通孔形成工艺完成,并且在形成通孔期间可以重叠多个内层。

3)通孔,穿过整个电路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装孔。由于通孔在工艺中更容易实现并且成本更低,所以通孔通常用于印刷电路板。过孔的分类如图2所示。

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2.过孔的寄生电容

通孔本身具有对地的寄生?缛荨H绻拥夭闵系耐?椎耐?字本段狣2,则通孔焊盘的直径为D1,PCB的厚度为T,并且板基板的介电常数为ε,则寄生电容为通道类似于:

C=1.41εTD1/(D2-D1)

通孔的寄生电容对电路的主要影响是延长信号的上升时间并降低电路的速度。电容越小,效果越小。

3.过孔的寄生电感

通孔本身具有寄生电感。在高速数字电路的设计中,通孔的寄生电感通常比寄生电容更有害。过孔的寄生串联电感削弱了旁路电容,降低了整个电力系统的滤波效率。如果L指的是通孔的电感,则h是通孔的长度,d是中心孔的直径。通孔的寄生电感约为:L=5.08h [ln(4h/d)+1]

从等式可以看出,通孔的直径对电感的影响较小,对电感的影响最大的是通孔的长度。

4.非通孔引导技术

非贯通导孔包括盲孔和埋孔。在非通孔技术中,盲孔和埋孔的应用可以大大减小PCB的尺寸和质量,减少层数,提高电磁兼容性,增加电子产品的特性,降低成本,同时也使设计工作更简单快捷。通孔在传统PCB设计和加工中存在许多问题。首先,它们占据了大量的有效空间。其次,大量的通孔也是多层PCB内层的巨大障碍。这些通孔占据了迹线所需的空间,并且它们密集地通过电源和地面。线层的表面还破坏了电源接地层的阻抗特性并且禁用了电源接地层。而传统的机械钻孔将是非通孔技术工作量的20倍。

在PCB设计中,尽管焊盘和通孔的尺寸已经逐渐减小,但如果没有按比例缩小层的厚度,则通孔的纵横比将增加,并且通孔的纵横比的增加将减少可靠性。随着先进的激光钻孔技术和等离子干蚀刻技术的进步,可以使用小通孔和小埋孔。如果这些非通孔的直径为0.3mm,则寄生参数为原始常规孔约为1/10,这提高了PCB的可靠性。

由于采用非通孔技术,PCB上的通孔很少,为走线提供了更多空间。剩余空间可用于大面积屏蔽,以提高EMI/RFI性能。同时,更多剩余空间可用于内层,以部分屏蔽设备和关键网络电缆,以获得最佳电气性能。使用非通孔可以更容易地扇出器件引脚,使高密度引脚器件(如BGA封装器件)易于布线,缩短引线长度,并满足高速电路时序要求。

5.通过共同PCB中的选择

在通用PCB设计中,通孔的寄生电容和寄生电感对PCB设计几乎没有影响。对于1-4层PCB设计,通常使用0.36mm/0.61mm/1.02mm(钻孔/焊盘/POWER隔离区域)。过孔更好。一些特殊信号线(如电源线,地线,时钟线等)可用于0.41mm/0.81mm/1.32mm的过孔。剩余的过孔也可以根据实际情况选择。

6.通过高速PCB设计

通过以上对过孔寄生特性的分析,我们可以看出,在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往对电路的设计产生很大的负面影响。为了减少过孔寄生效应的不利影响,可以在设计中尽可能做到:

(1)选择合理的通孔尺寸。对于多层通用密度PCB设计,0.25mm/0.51mm/0.91mm(孔/焊盘/POWER隔离)的过孔是首选;对于某些高密度PCB,也可以使用0.20mm/0.46。对于mm/0.86mm过孔,尽量不要使用过孔;对于有电源或接地的过孔,考虑使用更大的尺寸来降低阻抗;

(2)POWER隔离区越大越好。考虑PCB上过孔的密度,通常为D1=D2 + 0.41;

(3)PCB上的信号走线不应尽可能多地改变,即应尽量减少通孔;

(4)使用更薄的PCB有助于减少通孔的两个寄生参数;

(5)电源和接地引脚应靠近过孔。过孔和引脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感增加。同时,电源和接地引线应尽可能厚,以降低阻抗;

(6)在信号变换层的通孔附近放置一些接地过孔,为信号提供短距离循环。

当然,在设计时需要对具体问题进行具体分析。考虑到成本和信号质量,在高速PCB设计中,设计人员总是希望通孔越小越好,从而可以在电路板上留下更多的布线空间。此外,通孔越小,其自身寄生电容越小,对于高速电路越好。在高密度PCB设计中,使用非通孔和减小通孔尺寸也会增加成本,并且通孔的尺寸不能无限减小。它受PCB制造商的钻孔和电镀工艺的影响。在高速PCB的过孔设计中应该平衡技术限制。