PCB過孔設(shè)計的基礎(chǔ)知識

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，印刷電路板（PCB）是核心組成部分，它承載著各種電子元器件并將它們通過電氣信號連接在一起。隨著電子設(shè)備的日益復(fù)雜，PCB的設(shè)計也變得更加精細(xì)和復(fù)雜。而在PCB的設(shè)計中，過孔（via）是不可或缺的元素，它在不同層之間傳輸信號和電源。合理設(shè)計過孔，不僅能夠提升PCB的電氣性能，還能夠降低生產(chǎn)成本，避免潛在的制造和使用問題。本文將詳細(xì)講解PCB過孔的種類、功能以及設(shè)計中的注意事項。

一、什么是PCB過孔？

PCB過孔是用于將不同層的銅箔線路連接起來的導(dǎo)電通道。通常為多層結(jié)構(gòu)，常見的如雙層板、四層板，甚至可以達(dá)到幾十層。在這些層之間，過孔起到導(dǎo)電橋梁的作用。它是通過在電路板上鉆孔，再在孔壁上鍍銅而形成的導(dǎo)電通道。過孔的形狀可以是圓形、橢圓形等，但最常見的是圓形。

在PCB制造過程中，先開料，即利用自動開料機(jī)將大尺寸的覆銅板切割成符合生產(chǎn)需求的特定規(guī)格基材。

然后，用數(shù)控鉆孔機(jī)在覆銅板上預(yù)定的位置精確鉆出孔。由于鉆頭是圓形的，所以無法鉆出方形的孔。

打個比方，把一個圓形乒乓球放在直角墻角，球體圓弧與直角會存在一定的間距，稱作“R角”。

像嘉立創(chuàng)，加工PCB采用機(jī)械鉆孔，其鉆咀規(guī)格以0.05mm為單位。

查了下嘉立創(chuàng)官網(wǎng)工藝參數(shù)，圓孔鉆刀的規(guī)格為0.15mm-6.30mm。如果是槽孔，最小鉆刀規(guī)格為0.65mm，這適合用來加工金屬化槽孔；最小槽孔鑼刀為1.0mm，適用于加工非金屬化鑼槽。

所以，在設(shè)計PCB時，過孔不能設(shè)計成任意大小。

二、PCB過孔的種類

根據(jù)結(jié)構(gòu)和位置的不同，過孔可以分為以下幾種：

1. 通孔（Through-hole Via）

通孔是PCB設(shè)計中最常見的一種過孔類型，它貫穿了整個PCB的厚度，從最上層的銅箔一直延伸到最底層的銅箔。通孔不僅用于信號層間的連接，也常常用于電源層和接地層的連接。由于它貫穿所有層，因此制造成本較低，且工藝相對簡單。

2. 盲孔（Blind Via）

盲孔是一種只連接PCB表面層和中間某一層的過孔，它并不貫穿整個PCB。因此，盲孔在多層板設(shè)計中非常實用，特別是在高密度互連（HDI）設(shè)計中可以節(jié)省空間。不過，由于盲孔的鉆孔工藝更加復(fù)雜，因此相對于通孔成本更高。

3. 埋孔（Buried Via）

埋孔與盲孔相似，但不同之處在于埋孔完全位于PCB的內(nèi)部層，外部看不到。它通常用于中間層信號的連接，主要用于高密度和高層數(shù)PCB的設(shè)計。由于埋孔的制造過程要求更高的精度，因此它的成本也高于通孔。

4.微孔（Micro Via）

微孔是一種孔徑非常小的過孔，直徑通常小于0.15毫米。它多用于高密度板（HDI）中，用于減小PCB面積和提升信號傳輸速度。微孔往往通過激光鉆孔工藝完成，成本相對較高。

三、PCB過孔的作用

過孔在PCB中主要有以下幾個作用：

1. 電氣連接

過孔最核心的功能就是電氣連接，它將不同層的信號通過過孔進(jìn)行傳遞，確保電子元件之間的電氣連接。特別是在多層PCB中，過孔是不同層之間的“電氣橋梁”。

2. 電源和接地層的連接

在多層PCB設(shè)計中，通常有專門的電源層和接地層。通過過孔，可以將電源和接地層之間連接起來，從而使得整個電路的電源供應(yīng)更加穩(wěn)定，減小了電源噪聲和干擾。

3. 散熱功能

在某些功率較高的電路中，過孔還可以起到散熱的作用。通過將熱量從PCB的元器件層傳導(dǎo)到散熱層或外部散熱器，過孔能夠有效地幫助降低PCB的整體溫度，保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運行。

關(guān)于過孔的承載電流值，這里有一個經(jīng)驗值供大家參考。在25℃的環(huán)境下，允許溫升10℃，不同過孔與推薦最大電流的對應(yīng)關(guān)系:

這些數(shù)值僅為粗略估算，實際設(shè)計中還應(yīng)考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。

四、PCB過孔的設(shè)計考量

在實際設(shè)計中，過孔的設(shè)計需要考慮到多個因素，包括機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能以及制造工藝等。以下是一些主要的設(shè)計考量。

1.過孔的尺寸選擇

過孔的直徑和焊盤尺寸需要根據(jù)信號類型、電流強(qiáng)度等因素來確定。較大的過孔有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和電流承載能力，但占據(jù)空間更多。較小的過孔則適用于高密度設(shè)計，但會增加制造難度和成本。

關(guān)于小孔

多大的孔稱為小孔？從PCB制造角度來說，0.3mm為分界點，小于0.3mm的孔被稱為小孔。

過孔越小，越難加工，尤其是過孔大小接近工藝極限時。

因此，在PCB設(shè)計時，盡量將過孔尺寸設(shè)計為大于0.3mm，以確保加工效率和降低成本。只有在空間受限的情況下，才考慮使用小孔。

外徑尺寸的問題。在設(shè)計導(dǎo)通孔或焊接孔時，需要考慮內(nèi)徑和外徑的尺寸要求。這些參數(shù)直接影響PCB的制造工藝。以嘉立創(chuàng)為例，雙面板和多層板最小加工參數(shù)的內(nèi)徑為0.15mm，外徑為0.25mm。

嘉立創(chuàng)如今可以生產(chǎn)6-32層的高多層板。憑借自研的超高層工藝、盤中孔工藝等技術(shù)，嘉立創(chuàng)生產(chǎn)的PCB最高層數(shù)可達(dá)32層，最小孔徑達(dá)0.15mm，最小線寬線距可達(dá)0.0762mm，并支持?jǐn)?shù)百種層壓結(jié)構(gòu)。尤其是盤中孔工藝，6層以上高多層板全部免費采用樹脂塞孔+電鍍蓋帽工藝，使過孔可以直接打在焊盤上，且成品焊盤表面更平整，布線空間更大。

2.信號完整性

在高速電路中，過孔會影響信號的完整性。過孔的寄生電感和寄生電容可能會導(dǎo)致信號反射、阻抗失配，進(jìn)而導(dǎo)致信號失真。因此，在高速設(shè)計中，設(shè)計者需要優(yōu)化過孔的數(shù)量、位置和尺寸，以減少這些負(fù)面影響。

3.層疊結(jié)構(gòu)的選擇

在多層PCB設(shè)計中，過孔的層疊結(jié)構(gòu)也需要特別考慮。設(shè)計者應(yīng)當(dāng)盡量將盲孔和埋孔的使用控制在必要的范圍內(nèi)，避免過度使用導(dǎo)致生產(chǎn)復(fù)雜化和成本上升。同時，合理安排電源層和接地層的位置，以確保過孔的電氣性能。

4.熱量管理

對于高功率的電路設(shè)計，過孔的散熱功能非常重要。通過合理的過孔布局和數(shù)量，可以有效地將熱量導(dǎo)出電路板，延長設(shè)備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設(shè)計中，散熱過孔的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

5.制造工藝限制

不同的過孔設(shè)計對制造工藝有不同的要求。例如，微孔由于孔徑較小，需要更高精度的鉆孔設(shè)備和鍍銅工藝。設(shè)計者需要考慮到制造商的設(shè)備能力，避免設(shè)計過于復(fù)雜的過孔結(jié)構(gòu)，以免增加生產(chǎn)難度和成本。

五、過孔設(shè)計中的常見問題

在實際設(shè)計和生產(chǎn)中，過孔的設(shè)計可能會遇到以下問題：

1.過孔堵塞

在PCB制造過程中，如果過孔中的雜質(zhì)沒有清理干凈，可能會導(dǎo)致電鍍不均勻，進(jìn)而影響過孔的導(dǎo)電性。這種情況下，過孔可能會堵塞或電氣性能不佳，影響整個電路的正常工作。

2.信號反射

高速信號在經(jīng)過過孔時，如果設(shè)計不當(dāng)，可能會產(chǎn)生信號反射。為了避免這種情況，設(shè)計師可以通過調(diào)整過孔的數(shù)量、優(yōu)化阻抗匹配等手段來減少信號失真。

3.熱膨脹問題

在高溫工作環(huán)境下，PCB材料的熱膨脹系數(shù)不同于銅的膨脹系數(shù)，可能導(dǎo)致過孔附近的銅箔斷裂。為了避免這種情況，設(shè)計師可以選擇熱膨脹系數(shù)更匹配的材料或通過多層結(jié)構(gòu)分散熱應(yīng)力。

過孔（Via）和元件孔（Pad）有何區(qū)別？

在PCB中，孔徑分為過孔（Via）和元件孔（Pad），一定不要混用。

過孔一般是起到兩面導(dǎo)通的作用，加工過程常規(guī)是選擇蓋油處理。

元件孔（Pad）通常是設(shè)計成插件孔，在插件焊接時使用。

如果混用過孔（Via）和元件孔（Pad），一種情況是誤將過孔（Via）屬性用于插件封裝中當(dāng)做元件孔。選擇過孔蓋油時，插件孔會被油墨蓋住或者堵住，且大小無法達(dá)到有效控制。

另一種情況是誤將元件孔（Pad）當(dāng)做過孔使用，那么軟件自動關(guān)閉過孔開窗時，無法有效識別，會導(dǎo)致需要蓋油的過孔無法蓋油。

結(jié)論

PCB過孔設(shè)計是一門涉及電氣、機(jī)械和材料科學(xué)的綜合性學(xué)科。在實際設(shè)計中，設(shè)計師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景，合理選擇過孔類型和尺寸，同時兼顧信號完整性、散熱、制造工藝等多方面的因素。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，過孔設(shè)計的復(fù)雜性將不斷增加，只有通過持續(xù)的學(xué)習(xí)和優(yōu)化，才能設(shè)計出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。

本文轉(zhuǎn)載自芯片之家公眾號