過孔對訊號傳輸的影響

一.過孔的基本概念

過孔（via）是多層PCB的重要組成部分之一，鑽孔的費用通常占PCB制板費用的30%到40%。 簡單的說來，PCB上的每一個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力連接； 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）。 盲孔位於印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用於表層線路和下麵的內層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率（孔徑）。 埋孔是指位於印刷線路板內層的連接孔，它不會延伸到線路板的表面。 上述兩類孔都位於線路板的內層，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重疊做好幾個內層。 第三種稱為通孔，這種孔穿過整個線路板，可用於實現內部互連或作為元件的安裝定位孔。 由於通孔在工藝上更易於實現，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。

從設計的角度來看，一個過孔主要由兩個部分組成，一是中間的鑽孔（drill hole），二是鑽孔周圍的焊盤區。 這兩部分的尺寸大小决定了過孔的大小。 很顯然，在高速，高密度的PCB設計時，設計者總是希望過孔越小越好，這樣板上可以留有更多的佈線空間，此外，過孔越小，其自身的寄生電容也越小，更適合用於高速電路。 但孔尺寸的减小同時帶來了成本的新增，而且過孔的尺寸不可能無限制的减小，它受到鑽孔（drill）和電鍍（plating）等工藝科技的限制：孔越小，鑽孔需花費的時間越長，也越容易偏離中心位置； 且當孔的深度超過鑽孔直徑的6倍時，就無法保證孔壁能均勻鍍銅。 比如，如果一塊正常的6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼，一般條件下PCB廠家能提供的鑽孔直徑最小只能達到8Mil。 隨著雷射鑽孔科技的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小於等於6Mils的過孔，我們就稱為微孔。 在HDI（高密度互連結構）設計中經常使用到微孔，微孔科技可以允許過孔直接打在焊盤上（Via-in-pad），這大大提高了電路效能，節約了佈線空間。

過孔在傳輸線上表現為阻抗不連續的中斷點，會造成訊號的反射。 一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右，比如50歐姆的傳輸線在經過過孔時阻抗會减小6歐姆（具體和過孔的尺寸，板厚也有關，不是絕對减小）。 但過孔因為阻抗不連續而造成的反射其實是微乎其微的，其反射係數僅為：（44-50）/（44+50）=0.06，過孔產生的問題更多的集中於寄生電容和電感的影響。

二、過孔的寄生電容和電感

過孔本身存在著寄生的雜散電容，如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，板基材介電常數為 ε, 則過孔的寄生電容大小近似於：C=1.41 ε TD1/（D2-D1）

過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了訊號的上升時間，降低了電路的速度。 舉例來說，對於一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil（鑽孔直徑為10Mils），阻焊區直徑為40Mil，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/（0.040-0.020）=0.31pF

這部分電容引起的上升時間變化量大致為：

T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.31x（50/2）=17.05ps

從這些數值可以看出，儘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，但是如果走線中多次使用過孔進行層間的切換，就會用到多個過孔，設計時就要慎重考慮。 實際設計中可以通過增大過孔和鋪銅區的距離（Anti-pad）或者减小焊盤的直徑來减小寄生電容。

過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數位電路的設計中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容的影響。 它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，减弱整個電源系統的濾波效用。 我們可以用下麵的經驗公式來簡單地計算一個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是中心鑽孔的直徑。 從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響最大的是過孔的長度。 仍然採用上面的例子，可以計算出過孔的電感為：

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

如果訊號的上升時間是1ns，那麼其等效阻抗大小為：XL=πL/T10-90=3.19Ω。 這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經不能够被忽略，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新增。

三、如何使用過孔

通過上面對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。 為了减小過孔的寄生效應帶來的不利影響，在設計中可以儘量做到：

1.從成本和訊號質量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔大小。 必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔，比如對於電源或地線的過孔，可以考慮使用較大尺寸，以减小阻抗，而對於訊號走線，則可以使用較小的過孔。 當然隨著過孔尺寸减小，相應的成本也會新增。

2.上面討論的兩個公式可以得出，使用較薄的PCB板有利於减小過孔的兩種寄生參數。

3.PCB板上的訊號走線儘量不換層，也就是說儘量不要使用不必要的過孔。

4.電源和地的管脚要就近打過孔，過孔和管脚之間的引線越短越好。 可以考慮並聯打多個過孔，以减少等效電感。

5.在訊號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為訊號提供最近的回路。 甚至可以在PCB板上放置一些多餘的接地過孔。

6.對於密度較高的高速PCB板，可以考慮使用微型過孔。