下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在进行高密度的多层PCB设计布局时，需要使用过孔。过孔也称镀通孔，它在多层PCB上将信号由一层传输到另一层。过孔是多层PCB上钻出的孔，提供各PCB层之间的电气连接。过孔只提供层与层之间的连接。元器件引脚或其他加固材料不能插到过孔中。
PCB上常用的三类过孔如图2-1所示：贯通孔是PCB顶层和底层之间的连接孔，这种孔也提供内部PCB层的互连；盲孔是连接表层和内层而不贯穿的过孔，用于PCB顶层或底层到内部PCB层的互连；埋孔是连接内层而表层看不到的过孔，用于内部PCB层之间的互连。盲孔和贯通孔要比埋孔应用得更广泛一些。盲孔的成本要高于贯通孔，但是当信号在盲孔下走线时，可以采用更少的PCB层，因此其总成本还是降低了。另外，贯通孔不允许信号通过底层，从而增加了PCB层数量，提高了总成本。过孔通过其周围的焊盘与PCB层实现电气连接。
图2-1 过孔类型
过孔包括筒状孔壁（Barrel）、焊盘（pad）和反焊盘（anti-pad）。筒状孔壁是为了保证印制板各层之间的电气连接而对钻孔进行填充的导电材料。焊盘的作用是使孔壁和元器件或者走线相连。反焊盘就是指过孔焊盘和周围不需要进行连接的金属之间的间隔。
相对接地平面，每个过孔都有对地寄生电容。过孔的寄生电容的值可以采用下面的公式计算 [17] ：
（2-1）
式中， D 2 为接地平面上间隙孔的直径（in）； D 1 为环绕通孔的焊盘的直径（in）； T 为电路板的厚度（in）； ε r 为电路板的相对介电常数； C 为过孔寄生电容量（pF）。
在低频的情况下，寄生电容非常小，完全可以不考虑它。在高速数字电路中，过孔寄生电容的主要影响是使数字信号的上升沿减慢或变差。在高速数字电路和射频电路PCB设计中，寄生电容的主要影响需要引起注意。
每个过孔都有寄生串联电感 [17] ，这个寄生电感的大小近似为
（2-2）
式中， L 为过孔电感（nH）； h 为过孔长度（in）； d 为过孔直径（in）。
对于高速数字电路和射频电路PCB设计，过孔寄生电感的影响是不可忽略的。例如，在一个集成电路的电源旁路电路中，如图2-2所示，在电源平面和接地平面之间连接一个旁路电容，预期在电源平面和接地平面之间的高频阻抗为零。然而实际情况并非如此，将电容连接到电源平面和接地平面的每个连接过孔电感都引入了一个小的但是可测量到的电感（nH级）。过孔串联电感降低了电源旁路电容的有效性，使得整个电源的供电滤波效果变差了。
图2-2 旁路电容通过过孔的布局形式
过孔的电流模型如图2-3所示，电流通过过孔流入电路板。铜箔的质量大小不同，允许通过的电流不同，过孔的功耗也不同。
图2-3 过孔的电流模型
表2-1给出了流入不同铜质量的过孔时的电流和功耗。
表2-1 流入不同铜质量的过孔时的电流和功耗
一些典型过孔的 R 、 L 、 C 参数如表2-2所示。知道过孔的 L 和 C ，可以计算过孔的阻抗 Z 0 和延迟 T P [18-19] ：
（2-3）
（2-4）
式中， ε r 为PCB介质的相对介电常数（对于FR-4基材， ε r ≈4.5）。
表2-2 一些典型过孔的 R 、 L 、 C 参数
注：1.
R
的单位为mΩ，
L
的单位为nH，
C
的单位为pF。
2.板是均匀间隔的。
1 .过孔间距对差分特性阻抗的影响
单个过孔的阻抗见式（2-3）。而对于传输差分信号的一对过孔，可以理解为平行的双圆杆型传输模型，如图2-4所示。差分特性阻抗计算公式 [20-21] ：
（2-5）
式中， Z 0 为差分特性阻抗（Ω）； S 为两圆杆的中心距离； d 为圆杆的直径； ε r 为圆杆周围材料的相对介电常数。
由式（2-5）可知，在平行的双圆杆型传输模型中，在其他因素不变的情况下，过孔间的距离 S 和差分特性成正比，即当增大孔间距时，差分特性阻抗变大；反之，差分特性阻抗减小。
2 .钻孔尺寸和焊盘尺寸对差分特性阻抗的影响
钻孔和焊盘外形为圆柱形，转化物理模型，可以等效为平行的双圆杆传输模型。平行的双圆杆传输模型的差分特性阻抗计算见式（2-5）。
由式（2-5）可知，在平行的双圆杆型传输模型中，差分特性阻抗值和圆杆直径大小成反比，即减小钻孔或焊盘直径可增大差分特性阻抗值；反之，可减小差分特性阻抗值。
由仿真的 S 参数可知，随着焊盘的增大，信号通过过孔时损耗增大，尤其在高频情况下，信号的衰减更为明显。利用时域反射计（Time domain reflectometry，TDR）测试可知，焊盘变大时，过孔的寄生电容加大。这是因为当焊盘直径变大时，增加了焊盘与周围导体边缘场的耦合，相当于增加了容性负载，从而使过孔的阻抗减小。
3 .反焊盘尺寸对特性阻抗的影响
反焊盘是指的是负片中铜片与焊盘的距离。反焊盘处的横截面可以理解为同轴线模型的横截面，如图2-5所示。
图2-4 平行的双圆杆型传输模型
图2-5 同轴线横截面模型
同轴线特性阻抗的计算为 [20-21]
（2-6）
式中， ε r 为内外导体间介质的相对介电常数； D 为外导体内径； d 为内导体外径。
当其他条件不变时，外导体内径 D 和特性阻抗成正比，即当 D 增大时，特性阻抗也随之增大；反之，特性阻抗值减小。理论上，反焊盘直径和特性阻抗成正比。
由仿真得到的 S 参数和TDR曲线可知，随着反焊盘的增大，过孔的衰减减小，寄生电容减小。这是因为，反焊盘直径的增大，使得金属铜平面与焊盘及过孔孔壁的耦合减小，从而容性负载减小。
4 .过孔残桩对特性阻抗的影响
在传输线中常常会出现分支，如果分支很短，就称为短桩。当信号离开驱动器后，遇到了分支点，这时信号遇到的是两段传输线的并联阻抗，此阻抗较低，所以信号负反射回到源端，另一部分信号将沿两个分支继续传播。当桩线上的信号到达桩线末端时，它将反射回分支点，再从分支点反射到桩线末端，就这样在桩线中来回振荡。同时，每当与分支点发生交互时，桩线中的部分信号都将回到源端和远端。每个交界处都是一个反射点。
过孔处也有可能存在过孔残桩。过孔残桩是过孔中不用于连接信号线的部分。过孔残桩会使得信号的衰减增大，严重影响信号的传输质量。此外，在一些特定频率点还会发生残桩谐振，并使得谐振频率附近的插入损耗明显增大。过孔残桩增加了过孔的寄生效应，使得阻抗的突变更为明显。
为了减小过孔残桩影响，可以利用背钻技术将过孔处多余的金属焊盘和金属孔壁钻掉。背钻技术详见2.5节。
5 .板材对差分特性阻抗的影响
由式（2-5）可知，在平行的双圆杆型传输模型中，在其他因素不变的情况下，过孔周围的介质的介电常数和差分特性成反比，即当增大介质的介电常数时，差分特性阻抗变小；反之，差分特性阻抗增大。