【PCB设计】PCB设计中的过孔分析

【摘要】

在PCB设计过程中，PCB过孔设计是经常用到的一种方式，同时也是一个重要因素，但是过孔设计势必会对信号完整性产生一定的影响，尤其是对高速PCB设计。本文在参阅一些相关资料，及在设计过程中的心得，对过孔进行了一些简单的分析，希望能作为硬件设计人员的参考。

一、问题的提出

PCB过孔是PCB设计的重要组成部分，同时也是影响PCB性能的一个重要因素，多多了解了过孔的相关知识，对硬件开发人员在整个设计过程，尤其是对PCB最终的设计，有很大的帮助。

二、解决思路

通过了解和学习相关资料，并结合工程经验过孔设计方法，加以在设计开发过程中的体会，总结了自己的一些理解，供读者参考。

三、问题分析

3.1 过孔的介绍及分类

过孔是多层PCB设计的重要组成部分之一，过孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。

一个过孔主要由三部分组成：

（1）孔；

（2）孔周围的焊盘区；

（3）POWER 层隔离区。

过孔的工艺过程是在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。过孔可以起到电气连接，固定或定位器件的作用。如图1 所示。

图1过孔示意图

过孔一般分为三类，如图2所示：
（1）盲孔(blind via)：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，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

（2）埋孔(buried via)：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

（3）通孔(through via)：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，所以一般印制电路板均使用通孔。

图2 过孔的分类

3.2 过孔的寄生电容

过孔本身存在着对地的寄生电容，其大小近似于：

C =1.41εTD1/(D2-D1)

（1）D2——过孔在铺地层上的隔离孔直径

（2）D1——过孔焊盘的直径

（3）T ——PCB的厚度

（4）ε ——板材介电常数

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度，电容值越小则影响越小。

3.3 过孔的寄生电感

过孔本身存在寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，减弱整个电源系统的滤波效用。

过孔的寄生电感近似于：

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

（1）h——过孔的长度

（2）d——中心钻孔的直径

从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。

3.4 过孔的建议

通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，有以下几点建议：

（1）POWER 隔离区越大越好，考虑PCB 上的过孔密度，一般为D1=D2+0.41；

（2）PCB 上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量减少过孔；

（3）使用较薄的PCB 有利于减小过孔的两种寄生参数；

（4）电源和地的管脚要就近做过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗；

（5）在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供短距离回路同时，在高速PCB过孔设计中，也有几种过孔优化方式：

（6）删除多余的PAD

（7）优化Antipad

（8）Backdrill

四、总结

PCB过孔设计是PCB设计的重要组成部分，同时对信号完整性有着一定的影响，尤其是高速信号线。本文对PCB过孔、过孔的寄生特性做了简单介绍，并给出了一些建议，但在设计过程中还需要考虑成本、工艺能力、布线空间等因素，所以在设计过程中应该多与EDA人员、仿真的同事以及制板厂多沟通交流，通力合作设计出性能做好的单板。

审核编辑：汤梓红