什么是过孔?
过孔(Vertical Interconnect Access) 是PCB中的电镀孔,在不同铜层之间建立电气连接。过孔对于通过多层板布线信号和电源至关重要,但它们会引入寄生效应,在高频时会降低信号完整性。
典型的过孔由几个组件组成:
- 筒体: 穿过板的电镀圆柱体
- 焊盘: 每层孔周围的铜区域
- 环形圈: 孔和焊盘边缘之间的铜环
- 反焊盘: 平面层中的间隙孔
过孔类型详解
选择正确的过孔类型对于平衡成本、可制造性和性能至关重要。以下是每种类型的详细比较以及何时使用它们:
通孔过孔 (PTH)
连接从顶层到底层的所有层。最常见且经济的类型。
优点
- 成本最低
- 制造简单
- 可靠性高
缺点
- 在信号层产生残桩
- 占用所有层的布线空间
- 不适合高密度设计
最适合
通用布线、电源分配、低速信号
盲孔
连接外层到一个或多个内层,但不贯穿整个板。
优点
- 对侧无残桩
- 更适合高速
- 节省布线空间
缺点
- 成本较高
- 制造更复杂
- 需要顺序层压
最适合
高速信号、HDI板、空间受限设计
埋孔
仅连接内层,从两个表面都看不见。
优点
- 最大布线密度
- 无表面影响
- 非常适合HDI
缺点
- 成本最高
- 制造复杂
- 可维修性有限
最适合
HDI设计、移动设备、高层数板
微孔
激光钻孔的小孔(≤150µm),连接相邻层。
优点
- 寄生效应最小
- 密度最高
- 最适合高速
缺点
- 宽高比有限
- 需要激光钻孔
- 单个成本较高
最适合
BGA扇出、智能手机PCB、先进封装
常见问题
什么是过孔残桩,为什么重要?
过孔残桩是通孔过孔中超过信号层的未使用部分。在高频(>3 GHz)时,该残桩会像天线一样工作,导致谐振和信号反射。残桩在f = c/(4×L×√εr)处产生四分之一波长谐振,其中L是残桩长度。对于FR-4中40密耳的残桩,谐振发生在约9 GHz,严重降低PCIe Gen4或USB 3.2等信号质量。
何时应该使用背钻?
在以下情况下使用背钻:(1)信号频率超过5 GHz,(2)过孔残桩长度超过10密耳,(3)插入损耗预算紧张,(4)设计PCIe Gen4+、25G以太网或类似的高速接口。背钻通常将残桩移除到信号层的8-10密耳范围内。成本增加10-20%,但显著改善信号完整性。
如何计算过孔电感?
过孔电感可以近似为:L ≈ 5.08h × (ln(4h/d) + 1) nH,其中h是过孔高度(英寸),d是过孔直径。典型的10密耳过孔穿过62密耳板具有约1 nH电感。通过以下方式减少电感:使用更大直径的过孔、在附近添加接地过孔、为电源使用多个并联过孔,或使用微孔以缩短路径。
什么是盘中过孔,何时应该使用?
盘中过孔是将过孔直接放置在元件焊盘中,而不是布线到单独的过孔。适用于:细间距BGA(<0.8mm)、散热管理(功率器件)、高频旁路电容器和空间受限设计。过孔必须填充并平坦化(VIPPO工艺)以允许正确焊接。这增加了每个过孔约$0.02-0.05的成本,但可实现更高的密度设计。
信号过孔周围需要多少个接地过孔?
为获得最佳信号回流路径:单端信号每个信号过孔至少使用2个接地过孔,差分对使用4-6个接地过孔。对于超过5 GHz的频率,将接地过孔放置在信号过孔20密耳范围内。这在过孔转换期间保持阻抗并最小化电感。对于非常高的频率(>25 GHz),考虑过孔笼或同轴过孔结构。