過孔對傳輸線信號的影響

一．過孔的基本概念

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過孔（via）是多層PCB的重要組成部分之一，鉆孔的費用通常占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層的連接孔，它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內層，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，可用于實現內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。

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從設計的角度來看，一個過孔主要由兩個部分組成，一是中間的鉆孔（drill hole）,二是鉆孔周圍的焊盤區。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）等工藝技術的限制：孔越小，鉆孔需花費的時間越長，也越容易偏離中心位置；且當孔的深度超過鉆孔直徑的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，那么，一般條件下PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達到8Mil。隨著激光鉆孔技術的發展，鉆孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小于等于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，微孔技術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，節約了布線空間。

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過孔在傳輸線上表現為阻抗不連續的斷點，會造成信號的反射。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減小6歐姆（具體和過孔的尺寸，板厚也有關，不是絕對減小）。但過孔因為阻抗不連續而造成的反射其實是微乎其微的，其反射系數僅為：(44-50)/(44+50)=0.06，過孔產生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

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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于：C="1".41εTD1/(D2-D1)

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過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度。舉例來說，對于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil（鉆孔直徑為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：

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C="1".41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

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這部分電容引起的上升時間變化量大致為：

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

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從這些數值可以看出，盡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）或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。

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過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數字電路的設計中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，減弱整個電源系統的濾波效用。我們可以用下面的經驗公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感：

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L="5".08h[ln(4h/d)+1]

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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，而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子，可以計算出過孔的電感為：

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L="5".08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

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如果信號的上升時間是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候需要通過兩個過孔，這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

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。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響，在設計中可以盡量做到：

1．從成本和信號質量兩方面考慮，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，比如對于電源或地線的過孔，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗，而對于信號走線，則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小，相應的成本也會增加。

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

3．PCB板上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

4．電源和地的管腳要就近打過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好。可以考慮并聯打多個過孔，以減少等效電感。

5．在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地過孔。6．對于密度較高的高速PCB板，可以考慮使用微型過孔。

6．對于密度較高的高速PCB板，可以考慮使用微型過孔。