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等離子清洗機(jī)

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高速PCB過孔要注意哪些事-等離子清洗機(jī)

2022-01-28 00:00:00

高速PCB過孔要注意哪些事-等離子清洗機(jī)


過孔(via)是多層PCB線路板的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%到40%。簡單的說來,PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。


從作用上看,過孔可以分成兩類:

  • 一是用作各層間的電氣連接

  • 二是用作器件的固定或定位

    如果從工藝制程上來說,這些過孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。


盲孔

位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。


埋孔

是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。


通孔

這種孔穿過整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。

由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以絕大部分印刷電路板均使用它,而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔,沒有特殊說明的,均作為通孔考慮。


從設(shè)計(jì)的角度來看,一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。


很顯然,在高速,高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。


但孔尺寸的減小同時(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,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長,也越容易偏離中心位置;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。


隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mil 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔,微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線空間。


過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會(huì)造成信號(hào)的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右,比如50 歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會(huì)減小6 歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是減小)。


但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數(shù)僅為:

(44-50)/(44+50)=0.06

過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。


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T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:

C=1.41εTD1/(D2-D1)


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)=0.517pF


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,但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換,EDA365電子論壇提醒設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。


過孔的寄生電感


同樣,過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,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=5.08h[ln(4h/d)+1]


其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響的是過孔的長度。


仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過孔的電感為:

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH


如果信號(hào)的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:

XL=πL/T10-90=3.19Ω


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。


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