⼲货！过孔对⾼频信号传输的影响
⼀、过孔的基本概念
过孔（via）是多层PCB 的重要组成部分之⼀，钻孔的费⽤通常占PCB 制板费⽤的30%到40%。简单的说来，PCB 上的每⼀个孔都可以称之为过孔。从作⽤上看，过孔可以分成两类：⼀是⽤作各层间的电⽓连接；⼆是⽤作器件的固定或定位。如果从⼯艺制程上来说，这些过孔⼀般⼜分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表⾯，具有⼀定深度，⽤于表层线路和下⾯的内层线路的连接，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，它不会延伸到线路板的表⾯。上述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。 第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，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，⽽不⽤另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。
从设计的⾓度来看，⼀个过孔主要由两个部分组成，⼀是中间的钻孔（drill hole）,⼆是钻孔周围的焊盘男根
2009 CHINAJOY区。这两部分的尺⼨⼤⼩决定了过孔的⼤⼩。很显然，在⾼速,⾼密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越⼩越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越⼩，其⾃⾝的寄⽣电容也越⼩，更适合⽤于⾼速电路。但孔尺⼨的减⼩同时带来了成本的增加，⽽且过孔的尺⼨不可能⽆限制的减⼩，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等⼯艺技术的限制：孔越⼩，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中⼼位置；且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。⽐如，如果⼀块正常的6 层PCB 板的厚度（通孔深度）为50Mil，那么，⼀般条件下PCB ⼚家能提供的钻孔直径最⼩只能达到8Mil。随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺⼨也可以越来越⼩，⼀般直径⼩于等于6Mils 的过孔，我们就称为微孔。在HDI（⾼密度互连结构）设计中经常使⽤到微孔，微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上（Via-in-pad），这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）。但过孔因为阻抗不连续⽽造成的反射其实是微乎其微的，其反射系数仅为：(44-50)/(44+50)=0.06，过孔产⽣的问题更多的集中于寄⽣电容和电感的影响。
南京航海技术学校⼆、过孔的寄⽣电容和电感
虚假记忆
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
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着寄⽣电感，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。
三、如何使⽤过孔
通过上⾯对过孔寄⽣特性的分析，我们可以看到，在⾼速PCB 设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很⼤的负⾯效应。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：李跃程
1．从成本和信号质量两⽅⾯考虑，选择合理尺⼨的过孔⼤⼩。必要时可以考虑使⽤不同尺⼨的过孔，⽐如对于电源或地线的过孔，可以考虑使⽤较⼤尺⼨，以减⼩阻抗，⽽对于信号⾛线，则可以使⽤较⼩的过孔。当然随着过孔尺⼨减⼩，相应的成本也会增加。
2．上⾯讨论的两个公式可以得出，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，也就是说尽量不要使⽤不必要的过孔。
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。可以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，以便为信号提供最近的回路。甚⾄可以在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，可以考虑使⽤微型过孔。
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