多层 PCB 设计探究：过孔如何 “致命” 影响高频信号传输

过孔作为多层 PCB 的重要组成部分之一，在多层 PCB 设计中扮演着关键角色，而钻孔的费用通常占 PCB 制板费用的 30% 到 40%。简单来说，PCB 上的每一个孔都可称为过孔。

过孔的基本概念

从作用方面来看，过孔可分为两类。其一用作各层间的电气连接，其二用作器件的固定或定位。从工艺制程角度，过孔一般分为盲孔、埋孔和通孔三类。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，有一定深度，用于表层线路和下面内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率（孔径）。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，不会延伸到线路板的表面。这两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种通孔则穿过整个线路板，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，所以绝大部分印刷电路板均使用它，若无特殊说明，以下所说的过孔均作为通孔考虑。

从设计角度而言，一个过孔主要由中间的钻孔和钻孔周围的焊盘区两部分组成，这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。在高速、高密度的 PCB 设计时，设计者往往希望过孔越小越好，这样板上能留有更多的布线空间。而且，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。然而，孔尺寸的减小会带来成本的增加，且过孔的尺寸不可能无限制减小，它受到钻孔和电镀等工艺技术的限制。例如，孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；当孔的深度超过钻孔直径的 6 倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。以一块正常的 6 层 PCB 板为例，若其厚度（通孔深度）为 50Mil，一般条件下 PCB 厂家能提供的钻孔直径最小只能达到 8Mil。不过，随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸可以越来越小，一般直径小于等于 6Mils 的过孔被称为微孔。在 HDI（高密度互连结构）设计中经常使用微孔，它可以允许过孔直接打在焊盘上，大大提高了电路性能，节约了布线空间。

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低 12% 左右，比如 50 欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小 6 欧姆（具体和过孔的尺寸、板厚也有关，不是绝对减小）。但过孔因阻抗不连续而造成的反射其实微乎其微，其反射系数仅为: (44-50)/(44+50)=0.06。过孔产生的问题更多集中于寄生电容和电感的影响。

过孔的寄生电容和电感

过孔本身存在着寄生的杂散电容，如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2，过孔焊盘的直径为D1,PCB 板的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/(D2-D1)。

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。

举例来说，对于一块厚度为50Mil 的PCB 板，如果使用的过孔焊盘直径为20Mil（钻孔直径为10Mils），阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

这部分电容引起的上升时间变化量大致为：

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

从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，就会用到多个过孔，设计时就要慎重考虑。 实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离（Anti-pad）或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

过孔存在寄生电容的同时也存在寄生电感，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。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。

我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：

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

其中L 指过孔的电感，h 是过孔的长度，d 是中心钻孔的直径。 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。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：

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

如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。

这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

如何使用过孔

为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到以下几点：

1.从成本和信号质量两方面综合考虑，选择合理尺寸的过孔大小。必要时可使用不同尺寸的过孔，如电源或地线的过孔可使用较大尺寸以减小阻抗，信号走线则使用较小的过孔，但过孔尺寸减小会使成本增加。

2.根据上述两个公式可知，使用较薄的 PCB 板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3.PCB 板上的信号走线尽量不换层，避免使用不必要的过孔。

4.电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，可考虑并联打多个过孔以减少等效电感。

5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，为信号提供最近的回路，甚至可在 PCB 板上放置一些多余的接地过孔。

6.对于密度较高的高速 PCB 板，可考虑使用微型过孔。

在高速 PCB 设计中，看似简单的过孔往往会给电路设计带来很大的负面效应，设计者需充分重视并合理处理过孔相关问题。