過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響

凡億PCB

2021年9月26日 09:29

隨著電子行業(yè)的高速發(fā)展，高速 PCB 布線密度的增加，頻率和開(kāi)關(guān)提速，相對(duì)應(yīng)的高速pcb設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在高速pcb設(shè)計(jì)中，通常采用多層板進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么在設(shè)置中無(wú)可避免的就需要利用到過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)互連。過(guò)孔做為互連結(jié)構(gòu)之一，就相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)傳輸?shù)囊环N離散結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致高速pcb設(shè)計(jì)中的信號(hào)反射、衰減，信號(hào)完整性問(wèn)題，影響信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要因素，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

1.過(guò)孔的介紹

在高速 PCB 設(shè)計(jì)中，微帶線帶狀線廣泛用于微波信號(hào)傳輸線，垂直過(guò)孔是最常見(jiàn)的形式互連傳輸線連接。過(guò)孔被分割分為三類：通孔、盲孔和埋孔。盲孔位于印刷品的頂面和內(nèi)層電路板，有一定的深度，作為連接線線路和內(nèi)部電路，深度通常不再比一定的比例（孔徑）。埋孔是連接孔在印刷電路板的內(nèi)部，不延伸到電路板面。兩個(gè)孔僅穿透層的一部分PCB的，一般是在層壓之前完成的過(guò)孔形成過(guò)程。第三個(gè)叫做通孔，它通過(guò)整個(gè)電路板，可用于實(shí)現(xiàn)互連或作為安裝定位孔成分，如圖1所示

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖5

圖1 通孔、盲孔、埋孔示意圖

2. 接地過(guò)孔對(duì)傳輸性能的影響

過(guò)孔按照連接的信號(hào)作用可分為：信號(hào)過(guò)孔、電源過(guò)孔、接地過(guò)孔和散熱過(guò)孔。

這里主要討論一個(gè)接地過(guò)孔，原因在于在信號(hào)傳輸過(guò)程中，為了提供最小返回信號(hào)路徑，如圖2 所示，通常添加信號(hào)信號(hào)過(guò)孔周圍的接地過(guò)孔。利用過(guò)孔連接時(shí)，由于是通過(guò)點(diǎn)連接層會(huì)造成一定的阻抗不連續(xù)，因此為了減小信號(hào)返回路徑的包圍區(qū)域，不得不在信號(hào)周圍加上足夠的接地過(guò)孔來(lái)提供一個(gè)最短的信號(hào)返回路徑，以便減少信號(hào)的emi 輻射，如圖3 所示。

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖8

圖2 信號(hào)通過(guò)接地過(guò)孔的回流路徑

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖9

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖10

圖3 差分回流地過(guò)孔設(shè)計(jì)

在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，可以在電路板上多打一些接地過(guò)孔，這樣可以很好地接觸地面層連接，提供電磁屏蔽，并減少電磁輻射，如圖4 所示

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖11

圖4

針對(duì)于接地過(guò)孔有以下幾個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)論：

1 ）接地過(guò)孔的直徑：當(dāng)過(guò)孔、焊盤、反焊盤尺寸固定時(shí)，插入損耗與信號(hào)成正比過(guò)孔，即接地直徑越大，越小插入損耗，信號(hào)傳輸質(zhì)量更好；較大的接地過(guò)孔直徑，較小的反射。

2）接地過(guò)孔的距離：當(dāng)過(guò)孔、焊盤、反焊盤尺寸固定時(shí)，距離越小，越小插入損耗，信號(hào)傳輸質(zhì)量更好，反射越小。

3 ）接地過(guò)孔的數(shù)目：當(dāng)過(guò)孔，焊盤，反焊盤尺寸固定，越多接地過(guò)孔，傳輸損耗越小，質(zhì)量越好傳輸信號(hào)。

3. 過(guò)孔間距對(duì)信號(hào)傳輸造成的影響

在高速pcb 設(shè)計(jì)中，當(dāng)一個(gè)區(qū)域需要打數(shù)目較多的過(guò)孔時(shí)，過(guò)孔之間的間距會(huì)造成什么影響，如圖4 對(duì)比所示，可以看出，當(dāng)過(guò)孔間距較近時(shí)，會(huì)造成銅皮割裂，致使信號(hào)傳輸?shù)穆窂阶冮L(zhǎng)，延時(shí)增加，反之，增大過(guò)孔之間的間距能夠使信號(hào)傳輸路徑更短，延時(shí)更短。因此在高速pcb 設(shè)計(jì)中，控制好過(guò)孔間距能有效的提高信號(hào)傳輸速度及質(zhì)量。

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖16

過(guò)孔在高速pcb設(shè)計(jì)中的影響的圖17

圖5 過(guò)孔間距對(duì)信號(hào)傳輸造成的影響

結(jié)論：

過(guò)孔的設(shè)計(jì)是高速PCB 設(shè)計(jì)的重要因素，信號(hào)完整性分析似乎可以過(guò)孔結(jié)構(gòu)和接地過(guò)孔不容忽視，對(duì)高速PCB 中對(duì)于過(guò)孔的合理使用，可以改善其信號(hào)傳輸性能和傳輸質(zhì)量，以及還可以獲得很好的電磁屏蔽效果，就是對(duì)高速穩(wěn)定的數(shù)字系統(tǒng)非常重要設(shè)計(jì)。

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