PCB中縫合過孔的基礎(chǔ)知識

縫合過孔是您經(jīng)常看到的分布在PCB表層周圍的東西。如果正確使用敷銅，就能理想地計(jì)算出適當(dāng)?shù)倪^孔間距縫合，以便過孔陣列抑制串?dāng)_/干擾。另一種選擇是用作層間的多個(gè)并聯(lián)連接，可以提供低電阻和阻抗，因此它們可以在直流或交流中提供高電流。

在本指南中，我將介紹縫合過孔的一些標(biāo)準(zhǔn)用途以及何時(shí)應(yīng)在PCB中使用它們。PCB設(shè)計(jì)的這一領(lǐng)域在一些設(shè)計(jì)人員中可能會引起爭議，因?yàn)樗c敷銅有關(guān)，而大多數(shù)設(shè)計(jì)通常不需要敷銅。無論您對敷銅有何感受，縫合過孔在低頻和高頻的PCB中都有重要的用途。

PCB中縫合過孔的基礎(chǔ)知識

縫合過孔是簡單的結(jié)構(gòu)：它們是周期性的過孔陣列，通常在PCB疊層上接地。通過這種方式，它們可以在多層的接地網(wǎng)之間建立連接。請注意，過孔陣列的一種用法涉及跨層的電源連接(見下文)。這些結(jié)構(gòu)在RF設(shè)計(jì)中也有重要用途，這有時(shí)會導(dǎo)致縫合過孔被誤用。

讓我們更詳細(xì)地看一下其中的每種用途：

典型用法：連接接地

縫合過孔的標(biāo)準(zhǔn)用法是跨多層連接接地。在多層PCB中，通常會有一個(gè)以上的銅區(qū)域被分配到同一個(gè)接地網(wǎng)?？p合過孔是一種有用的工具，可用于將這些連接到任何位置，并確保沿PCB中參考平面?zhèn)鞑サ娜魏畏祷?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流的阻抗盡可能小。

請注意，沒有要求使用周期性縫合過孔來跨接地進(jìn)行這些連接。地線確實(shí)需要在某處連接，而且多個(gè)連接可能更合適，以確?；亓髀窂饺菀讓?dǎo)航到電源回流點(diǎn)。

通過過孔進(jìn)行層過渡

這是連接到GND的縫合過孔真正顯示其價(jià)值的一個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字電路和RF電路中的層轉(zhuǎn)換需要有清晰的接地參考，以控制信號沿PCB互連的傳播。進(jìn)行層轉(zhuǎn)換時(shí)，縫合過孔陣列中附近的過孔可以執(zhí)行與走線下方接地層相同的功能。

通常，如果您在PCB中放置縫合過孔陣列，則在通過信號過孔的層過渡附近可能會有一個(gè)縫合過孔。在某些情況下，這可能可以正常工作，而且您可能不必?fù)?dān)心過孔過渡區(qū)域內(nèi)的噪聲排放或?qū)υ肼暤拿舾行?。在信號過孔附近存在接地縫合過孔應(yīng)該足以抑制噪聲，特別是對于慢速GPIO、I2C、UART或其他慢速數(shù)字協(xié)議(同樣適用于低頻模擬)。

這些縫合過孔在自動應(yīng)用后恰好落在這些MISO和MOSI線附近，它們會提供足夠緊密的接地回路嗎?

對于高速數(shù)字和RF，情況有所不同，您需要在信號過孔附近有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的縫合過孔陣列。通過陣列進(jìn)行縫合的目的是為沿著縫合過孔邊緣感應(yīng)的回流提供低阻抗路徑。在這些過渡中放置縫合過孔的另一個(gè)原因是將包含此信號的電磁場限制在由縫合過孔界定的過孔結(jié)構(gòu)內(nèi)。

此電路板的背面有一個(gè)連接器安裝，然后將信號傳輸?shù)巾攲?此處以紅色顯示)

這種情況下的噪聲抑制機(jī)制有時(shí)稱為“屏蔽”，就好像過孔可以防止電磁波耦合到受害互連中。這在某種程度上是正確的。使縫合過孔結(jié)構(gòu)靠近信號過孔，可通過兩種方式降低噪聲：

過孔區(qū)域的回路電感較低，因?yàn)檫^孔離地較近。

離地更近會導(dǎo)致信號過孔/接地過孔在過孔沿途的總電容中占主導(dǎo)地位。

第二點(diǎn)等同于通過使接地層更接近信號走線來降低寄生電容。我在本文中展示了這如何減少與其他信號網(wǎng)絡(luò)的寄生電容耦合，預(yù)計(jì)這里會出現(xiàn)同樣的結(jié)果。

縫合過孔和反焊盤影響過孔阻抗

在上一節(jié)中修改電容和電感的真正結(jié)果是，在層過渡中放置縫合過孔將決定過孔阻抗。一個(gè)相關(guān)的部分是反焊盤，理想情況下它應(yīng)該與縫合過孔相交，因此它們將一起修改阻抗。由于縫合過孔排列和層過渡周圍反焊盤尺寸的存在，大多數(shù)過孔阻抗計(jì)算器完全無法計(jì)算實(shí)際的過孔阻抗。

盡管穿過接地層的縫合過孔和反焊盤確實(shí)會影響阻抗，但在頻率超過約3-5GHz之前，過孔的輸入阻抗不會明顯偏離50歐姆(或約100歐姆差分)。在低頻時(shí)，無需擔(dān)心有多少縫合過孔和反焊盤尺寸會影響過孔阻抗;您很可能不會注意到任何影響，因?yàn)檫^孔在電力方面會非常短。在約5GHz以上，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)殄e(cuò)誤放置的縫合過孔和大型反焊盤將無法提供足夠的電容負(fù)載，從而導(dǎo)致阻抗達(dá)到約100歐姆的電感過孔轉(zhuǎn)換。下面顯示了一個(gè)沒有縫合過孔和大型反焊盤的過孔過渡示例的S參數(shù)。

S11圖顯示了由于缺少縫合過孔和大型反焊盤而導(dǎo)致的電容負(fù)載不足的影響，我們可以清楚地看到過孔轉(zhuǎn)換不能支持~3GHz以上的信號帶寬

在這種情況下，縫合過孔對中檔頻率下差分對電容負(fù)載的影響并不是最強(qiáng)的。當(dāng)信號過孔間距較大時(shí)，縫合過孔對信號過孔阻抗的影響較大。當(dāng)信號過孔靠得更近時(shí)，反焊盤是過孔阻抗的更大決定因素。當(dāng)信號過孔互相靠近并且反焊盤較小時(shí)，您可能不會注意到縫合過孔的任何影響。

縫合過孔提供屏蔽嗎?

簡短的回答為“是”，但僅限于某些頻率。當(dāng)以提供屏蔽為目的使用時(shí)，設(shè)計(jì)人員有可能只是猜測過孔之間所需的間距。在某些情況下，我們所說的波導(dǎo)屏蔽最好稱為電場約束。不管您想怎么稱呼它，縫合過孔都可以阻止電磁波傳播到某個(gè)最大頻率。

對于要抑制的給定頻率，過孔之間的間距應(yīng)約為：

這種專門用于阻擋電磁波傳播的縫合過孔的間距要求與用于將波限制在PCB上的波導(dǎo)內(nèi)的要求相同。

用作天線饋線的接地共面波導(dǎo)示例如下所示。在此示例中，間距為20密耳，根據(jù)上述等式，這適用于屏蔽高達(dá)43GHz的頻率。如果附近有高速信號傳輸，我們可以期待沿著這條饋線的高屏蔽效果，這將有助于抑制進(jìn)入RF線路的串?dāng)_。

帶縫合過孔的共面波導(dǎo)

這里需要注意的是，縫合過孔并不是解決噪聲的靈丹妙藥，它們不會給您提供消除最佳布線實(shí)踐的借口。即使您以上述方式使用了縫合過孔，仍應(yīng)為RF電路板實(shí)踐良好的布局和布線策略。

電源縫合過孔

當(dāng)用于電源系統(tǒng)的PCB布局時(shí)，縫合過孔通常不會以大間距的典型排列方式布置。事實(shí)上，在這些設(shè)計(jì)中，您可能根本看不到它們用于大型接地敷銅區(qū)。然而，縫合過孔陣列可用于在電源網(wǎng)上創(chuàng)建低電阻層過渡。這將允許過孔在層間以低損耗傳輸大量電流。

來自穩(wěn)壓器電路的電源網(wǎng)絡(luò)多邊形上的8個(gè)過孔陣列示例

傳輸一定量的電流需要多少個(gè)縫合過孔?這取決于典型過孔的直流電阻。對于典型的過孔鉆孔直徑和焊盤尺寸(10/20密耳)以及1密耳的孔壁鍍層厚度，過孔電阻約為1.5mOhm，熱阻約為180°C/W。如果您試圖通過此過孔引入20A直流電，您將消耗600mW的功率，并且您可以預(yù)期過孔的溫度會增加108°C。

為了將溫升保持在可接受的范圍內(nèi)，我們希望在一個(gè)陣列中使用多個(gè)過孔。如果我們并聯(lián)使用10個(gè)這樣的過孔，那么每個(gè)過孔將承載2 A DC，并且每個(gè)過孔(以及整個(gè)陣列)的預(yù)期溫升將為1.08°C。這應(yīng)該顯示如何使用溫升目標(biāo)來確定縫合過孔數(shù)量的限制。

自動縫合過孔布置

如果我們注意到縫合過孔的布置涉及在電路板周圍定位和放置大量過孔，并且具有精確的間距，那么這對于大多數(shù)CAD工具來說可能很難做到。更簡單的CAD工具會強(qiáng)制手動放置縫合過孔，然后可能會在電路板周圍復(fù)制粘貼每一行/每一列以形成陣列。

Altium Designer在PCB編輯器中包含了一個(gè)簡單的實(shí)用程序，可以按照用戶定義的尺寸和間距來放置縫合過孔。您可以通過選擇過孔模板或設(shè)置自定義過孔尺寸和層過渡來放置縫合過孔。您可以從PCB編輯器內(nèi)的“工具”菜單訪問此功能。閱讀更多有關(guān)此功能的文檔。

那么，有沒有客觀上“正確”的方式來使用縫合過孔呢?答案有時(shí)并不那么明確。我已經(jīng)展示了一些實(shí)例，其中縫合過孔陣列用于非常特定的目的：

如果您只需要接地(無高速/RF)，縫合過孔很方便但并非必需

如果提供跨層參考，縫合過孔也方便低速信號以最大限度地減少EMI

如果提供電力，間隔緊密的過孔可以提供高電流，同時(shí)最大限度地減少溫度升高

對于高速信號的轉(zhuǎn)換，您不能依靠隨機(jī)放置的縫合過孔來保證信號的完整性

這使得屏蔽成為縫合過孔的尺寸、間距和位置方面的突出問題。要了解更多信息，請閱讀這篇關(guān)于PCB布局中覆銅的文章，了解縫合過孔對噪聲耦合和EMI的一些影響。

當(dāng)您需要使用最佳CAD功能和自動化工具來構(gòu)建PCB時(shí)，請使用Altium Designer中的全套產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具。當(dāng)設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備將文件遞交給制造商時(shí)，Altium 365平臺可以輕松地協(xié)作并共享您的項(xiàng)目。

責(zé)任編輯：彭菁