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为什么在高速PCB设计当中信号线不能多次换孔

2022-12-06 10:28
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大家在进行PCB设计时过孔肯定是要接触的,那么大家知道过孔对于我们PCB的信号质量影响有多大吗?在搞清楚上面这个这个问题之前我们先给大家介绍一下我们在PCB设计时过孔应该如何选取。

一般过孔种类有以下三种可以进行选择:(单位是mil)

8/16±2mil    10/20±2mil     12/24±2mil

image.png

通常我们在板子比较密的情况下会用8/16±2mil(8/14,  8/16,  8/18都可以)大小的过孔,板子比较空旷的时候可以选取12/24±2mil(12/22,  12/24,  12/26都可以)大小的过孔,那板子器件密度在两者之间则可以采用10/20±2mil(10/18,  10/20,  10/22都可以)大小的过孔。

站在经济效益上来讲我们过孔越大成本越低,所以我们要控制板子的成本的话,在满足我们设计的同时尽量把过孔设置大一点。

当然在HDI板子当中我们通常是需要用到盲埋孔,通常我们的盲孔可以设置的大小范围是4/10±2这样子,通常打在焊盘上面就可以了,但是需要注意的是不要打在焊盘的正中心,通常打在焊盘的边缘就可以了,这样在工艺处理方面会好一点。

那么我们的过孔是不是越大越好或者说越小越好呢,很显然并不是这样子的。

在工艺的角度下我们的过孔内径是不能小于板厚的1/7,为什么呢?

因为在我们的过孔小于1/7的情况下,受工艺技术的影响,无法做到过孔孔壁均匀镀铜,在不能均匀镀铜的情况下我们板子的电气性能就会受到影响。所以在我们在板子厚度较大时也要加大我们的过孔,通常板厚和最小过孔的关系如下表所示:

image.png

我们上面的出来的结论是通常过孔要大一点会更好,那么我们这个时候需要向大家介绍两个公式,一个是过孔寄生电容的计算公式:C=1.41εTD2/(D1-D2)另一个是寄生电感的计算公式:L=5.08h[ln(4h/d)+1]。

image.png

附图1

image.png

 附图2

我们首先看一下过孔寄生电容计算公式:

ε:板子的介电常数,通常不同的板材他们的介电常数也不一样,T:指的是板子的厚度。

假设过孔是在GND层的情况下,D1值是过孔边缘与铜皮的避让距离(反焊盘),D2:指的是过孔的外径。

由上面的公式我们可以得出一下结论:

1、在板材和板厚不变的情况下D1越大则寄生电容越小,C与D1成反比关系。

2、在板材和厚度不变的情况下D2越大则寄生电容越大,C与D2成正比关系。

3、在板厚和D2,D1不变的情况下,板材的介电常数越大则寄生电容越大,C与ε成正比关系。

4、在介电常数以及D2,D1不变的情况下,板厚T越大则寄生电容越大。

然后我们再分析一下寄生电感计算公式:

image.png

附图三

h:指的是过孔的长度(板子的厚度)d:指得是过孔的内径

由此我们可以得出以下结论:

1)板子厚度越薄寄生电感越小,L与h成正比关系。

2)过孔的内径越大寄生电感越小,L与d成反比关系。

在普通PCB 设计中,过孔的寄生电容和寄生电感对PCB设计的影响较小,进行常规选择即可。但在高速PCB中的过孔设计,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:

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10/20/36(钻孔/焊盘/POWER 隔离区)的过孔较好;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;

3)PCB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;

image.png

当然,在设计时还需具体问题具体分析。从成本和信号质量两方面综合考虑,在高速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。

在高密度PCB设计中,采用非穿导孔(盲埋孔)以及过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地减小,它受到PCB 厂家钻孔和电镀等工艺技术的限制,在高速PCB 的过孔设计中应给以均衡考虑。

image.png

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那么我们了解完了上面这些信息之后我们就知道为什么在高速PCB设计当中我们一根导线不能打过多的过孔了,过孔本身会带来寄生电容和寄生电感,过孔打的越多所带来的寄生电容和寄生电感的值也越大,所以这就是为什么很多数据手册上面会写我们布线时过孔的数量不能超过多少个(附图三),一般我们的高速信号线采取不能超过三个过孔的原则,能不打孔就不打孔。

image.png

(附图四)

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