高速PCB过孔设计与板材选择

高速 PCB过孔设计与板材选择

韩艳

特变电工新疆新能源股份有限公司（新疆乌鲁木齐 830011）

摘要：在高速PCB设计中，过孔设计是一个重要因素。它由孔、孔周围的焊盘区和POWER层隔离区组成，通常分为盲孔、埋孔和通孔三类。本文对PCB设计过程中过孔的寄生电容和寄生电感设计注意事项等进行了分析和总结。

关键词：PCB设计；寄生电容；寄生电感；设计注意事项

高速PCB往往需要采用多层PCB实现，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要过孔来实现连接，过孔的设计质量直接关系到PCB设计的成败。高速PCB多层板中，工作频率低于1 GHz时过孔能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。当频率高于1 GHz后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题。过孔主要由孔、孔周围的焊盘区、POWER 层隔离区三部分组成，过孔一般又分为三类：通孔、盲孔和埋孔（见图1）。

图1 三类过孔示意图

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，所以一般印制电路板均使用。

埋孔：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。

盲孔：指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，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

在高速PCB设计中，看似简单的过孔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：（1）选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB 设计来说，选用0.25mm/0.51mm/0.91mm（钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区）的过孔较好；对于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔，也可以尝试非穿导孔；对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗；（2）POWER隔离区越大越好，考虑PCB 上的过孔密度，一般为D1=D2+0.41；（3）PCB 上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量减少过孔；（4）使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数；（5）电源和地的管脚要就近过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗；（6）在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供短距离回路。

此外，过孔长度也是影响过孔电感的主要因素之一。对用于顶、底层导通的过孔，过孔长度等于PCB厚度，由于PCB层数的不断增加，PCB厚度常常会达到5 mm以上。然而，高速PCB设计时，为减小过孔带来的问题，过孔长度一般控制在2.0mm以内。对于过孔长度大于2.0 mm过孔，通过增加过孔孔径，可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时，最佳过孔孔径为0.20 mm-0.30 mm。

一般高速PCB材料要求如下：（1）低损耗、耐CAF/耐热性及机械韧（粘）性（可靠性好）；（2）稳定的Dk/Df参数（随频率及环境变化系数小）；（3）材料厚度及胶含量公差小（阻抗控制好）；（4）低铜箔表面粗糙度（减小损耗）；（5）尽量选择平整开窗小的玻纤布（减小skew和损耗）。

以下为上述高速PCB材料5点要求的详细说明：

高速信号的完整性主要与阻抗、传输线损耗及时延一致性有关，在接收端能接收到合适的波形及眼图就可算为信号完整性得到保证，故高速数字电路的PCB材料选择的主要参数指标就是Dk、Df、损耗等。

无论是模拟电路还是数字电路，PCB材料的介电常数Dk是材料选用的一个重要参数，因为Dk值与应用于该材料的实际电路阻抗值关系密不可分。当PCB材料的Dk值变化时，无论是随频率变化还是随温度变化，电路的传输线阻抗都会产生意想不到的变化，进而对高速数字电路的信号传输性能造成不利的影响。如果PCB材料的Dk对不同频率的谐波成分呈现不同值，阻抗也随之在不同频率下出现不同的阻值，Dk值和阻抗的非预期改变，将导致谐波成分产生一定程度的损耗和频率偏移，会使高速数字信号的模拟谐波成分产生失真，进而使信号的完整性下降。与Dk值密切相关的色散也是材料的一种特性，Dk值随频率变化越小，色散就越小，对高速数字电路应用就越好。介质材料的极化，材料的损耗以及高频段铜导体的表面粗糙度等各种不同因素都会引起电路的色散。所以高速材料的Dk值要求稳定，在不同频率段和温度下，其变化波动越小越好。

传输线损耗通常有介质损耗、导体损耗和辐射损耗三种：（1）介质损耗也可称之为绝缘层损耗，PCB信号的绝缘层损耗随频率的增加而增加，特别是随高速数字信号的高阶谐波成分的频率变化，将产生严重的幅度衰减，从而导致高速数字信号的失真。介质损耗是与信号频率、绝缘层的介电常数Dk的平方根以及绝缘层的介电损失因数Df均成正比。（2）导体损耗是与导体的种类（不同种类有不同的电阻）、绝缘层及导体的物理尺寸有关，与频率的平方根成正比；在PCB制造上，使用不同基板对导体损耗主要影响是由趋肤效应和表面粗糙度造成的，使用不同的铜箔时信号线的表面的粗糙是不一样的，受趋肤效应/深度影响，铜箔铜牙长度将直接关系到高速信号的传输质量，铜牙长度越短，高速信号传输质量越好。（3）辐射损耗是与介电特性有关，与介电常数Dk、介电损失因数Df以及频率的平方根成正比。

结论：高速PCB的过孔与材质配合设计是保证信号完整性与高质量的关键要素。

参考文献：

[1]王云鹏.高速PCB信号和电源完整性问题的建模方法研究[D].北京邮电大学,2021.

[2]袁帅,水木然.高速PCB中传输线与过孔的信号完整性分析与优化设计[D].电子科技大学,2021.

【作者简介】韩艳（1984.05-），女，汉族，陕西西安市人，大学本科学历，特变电工新疆新能源股份有限公司中级工程师，职位：PCB设计。