在畫電路板時,往往需要過孔來切換層之間的信號。在PCB設計時,過孔的選擇有盲孔,埋孔,通孔。如圖3.1所示。盲孔是在表面或者底面打通到內層面,但不打穿,埋孔是在內層面之間的孔,不在表面和底面漏出;通孔是貫穿于表面到底面。處于成本以及加工難易程度的考慮,選擇通孔較多。
圖3.1 過孔類型
1.低頻的時候,過孔不會對信號產生影響,那么對于高頻,過孔就不能簡單看成是信號的連接,必須考慮信號的完整性分析。我們都知道,過孔的存在會產生寄生電容和寄生電感的影響,過孔的寄生電容會影響延長信號的上升時間,降低電路的速度。而寄生電感會削弱旁路電容的貢獻,削弱整個電源系統的濾波作用。所以需要格外注意信號完整性問題。
2.每個過孔寄生電容計算公式為:C =1.41εTD1/(D2-D1);其中,過孔在鋪地層上的反焊盤直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB的厚度為T,板基材介電常數為ε,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,電容值越小則影響越小,那么對應著公式,似乎只能去增大D2和D1的差值,減小D1的值。也就是說可以增大反焊盤直徑,減小過孔焊盤直徑,可以減小阻抗不連續程度。
過孔本身就存在寄生電感,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。過孔的寄生串聯電感會削弱旁路電容的作用,減弱整個電源系統的濾波效用。每個過孔的寄生電感計算公式為: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,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。
3.在高速、高頻電路設計中,阻抗不連續處阻抗變化一般需控制在±10%范圍,否則會引起信號失真。所以信號的過孔不要過大,可以選擇10/20(mil);
(1)選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的PCB 設計來說,選用0.25mm/0.51mm/0.91mm(鉆孔/ 焊盤/ POWER 隔離區)的過孔較好;對于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔,也可以嘗試非穿導孔;對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗;
(2)POWER隔離區越大越好;
(3)PCB上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量減少過孔;
(4)使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數;
(5)電源和地的管腳要就近做過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好,因為它們會導致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗;
(6)在信號換層的過孔附近放置一些接地過孔,以便為信號提供短距離回路。
圖3.2所示接地過孔情況。對于接地過孔,是信號在兩點之間的某個地方經過一個過孔到另一層,此時若沒有提供地平面之間的連接,返回信號電流將無法跳躍,此時路徑包括的電感量勢必要比原來有所增加,這不僅會產生更多的輻射,還將產生更多的串擾。所以在過孔周圍增加一些接地過孔,可以為信號的電流提供返回路徑,并在信號過孔和接地過孔之間形成一個電感回路,使得信號質量得到改善。
接地過孔不但能減小阻抗不連續外,還可以避免寄生電容引起的信號延遲現象,還可以減小孔引起的損耗。考慮制作成本和信號完整性,接地過孔可以為2個。
圖3.2 接地過孔
4.在普通PCB 設計中,過孔的寄生電容和寄生電感對PCB 設計的影響較小,對1-4層PCB 設計,一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm(鉆孔/ 焊盤/POWER 隔離區)的過孔較好,一些特殊要求的信號線(如電源線、地線、時鐘線等)可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的過孔,也可根據實際選用其余尺寸的過孔。
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