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(hào)連接在一起。隨著電子設(shè)備的日益復(fù)雜，PCB的設(shè)計(jì)也變得更加精細(xì)和復(fù)雜。而在PCB的設(shè)計(jì)中，過孔(via)是不可或缺的元素，它在不同層之間傳輸信號(hào)和電源。合理設(shè)計(jì)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(jì)中的注意事項(xiàng)。

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。

傳統(tǒng)通孔：使用位置和方法

自雙層電路板實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)以來，標(biāo)準(zhǔn)的電鍍通孔便成為PCB設(shè)計(jì)中的核心元素。通孔的尺寸可根據(jù)需求在電路板上靈活調(diào)整，使得走線或銅皮能輕松連接至任何一層電路板。通孔在PCB設(shè)計(jì)中發(fā)揮著多種作用，包括常規(guī)布線、逃逸布線以及電源布線等。

在常規(guī)布線中，通孔是連接不同電路板層信號(hào)走線的關(guān)鍵。逃逸布線則涉及表面貼裝元件引腳與過孔的即時(shí)連接，以便在多層電路板內(nèi)部層進(jìn)行布線。此時(shí)，逃逸過孔的布局需精心規(guī)劃，以確保內(nèi)層有足夠的布線通道。此外，電源布線也是通孔的重要應(yīng)用之一，大尺寸的電源過孔能應(yīng)對(duì)更高的電流需求。

除了上述常規(guī)用途外，通孔還適用于電路板上的特定需求或特殊情況。

散熱孔：針對(duì)運(yùn)行溫度較高的元件

通孔會(huì)嵌入大型中央接地焊盤中，從而通過電路板接地平面實(shí)現(xiàn)高效散熱。這類過孔對(duì)于防止因熱量積累導(dǎo)致的電路板其他部件故障至關(guān)重要。

縫合孔：此類過孔旨在為電路板不同層上的多條電源走線提供多個(gè)連接

以應(yīng)對(duì)大電流電路的傳導(dǎo)需求。它們不僅有助于散熱，還能降低連接的電感。

屏蔽孔：在敏感電路周圍布置多個(gè)接地孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生法拉第籠效應(yīng)

有效抑制潛在的EMI問題對(duì)電路的影響。

接地傳輸孔：在高速設(shè)計(jì)中，當(dāng)信號(hào)布線需在層間過渡時(shí)

接地傳輸孔保留了多個(gè)接地平面層之間的信號(hào)返回路徑，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

盤中孔：此類過孔可置于密集型表面貼裝元件(如球柵陣列封裝，BGA)的焊盤中

解決間距問題。但制造此類過孔對(duì)使用機(jī)械鉆頭的制造商而言可能具有挑戰(zhàn)性，微孔技術(shù)則提供了一種更優(yōu)的解決方案。

通孔在電路板設(shè)計(jì)中的使用需遵循一系列規(guī)范。與軸向引線器件的電鍍通孔相似，每一層電路板上都必須設(shè)置足夠大的焊盤，以便使用鉆孔機(jī)進(jìn)行操作，同時(shí)又要確保不會(huì)占用過多空間。此外，電路板的平面層上還需設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的隔離焊盤(anti-pad)，其大小應(yīng)與鉆孔直徑相匹配。環(huán)形是決定電路板可靠性等級(jí)的關(guān)鍵因素之一，其厚度在各級(jí)電路板中都有明確的要求。

PCB布線3D視圖中的通孔與微孔探討

在PCB設(shè)計(jì)中，通孔的尺寸選擇至關(guān)重要，它直接受到鉆孔與電路板厚度縱橫比的影響。機(jī)械鉆頭的鉆孔深度有限，而縱橫比則決定了這一深度的極限。通常，電路板制造商期望的縱橫比不超過10:1，這意味著在62密耳厚的電路板上，能夠可靠鉆出的最小尺寸過孔為6密耳。

當(dāng)在12層電路板的前兩層使用通孔來連接高速信號(hào)時(shí)，可能會(huì)面臨信號(hào)完整性的問題，因?yàn)榇蟛糠治词褂玫耐淄搀w可能會(huì)像天線一樣工作。為了解決這一問題，許多制造商會(huì)選擇對(duì)未使用的過孔部分進(jìn)行背面鉆孔。然而，背鉆操作會(huì)增加制造成本，因此，更優(yōu)的選擇通常是采用微孔或盲孔和埋孔技術(shù)來提升電路板的性能。

此外，在某些情況下，可能需要對(duì)通孔進(jìn)行覆蓋或填充。過孔蓋油是一種常用的方法，它使用阻焊層來覆蓋過孔，但并不填充通孔本身。這種技術(shù)需要小心操作，以避免在焊接加熱時(shí)筒體中產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致氣體外泄。通常，會(huì)在過孔蓋油的中心留一個(gè)小孔，以便排出熱空氣。雖然過孔蓋油可以使過孔更接近表面貼裝焊盤圖案，從而防止焊料流入孔中，但它并不提高過孔的電流容量或散熱性能。

另一種填充通孔的方法是使用導(dǎo)電漿料塞孔，其中環(huán)氧樹脂結(jié)合金、銀或銅等金屬物質(zhì)被用來填充通孔。這種方法可以有效提高過孔的電流容量和散熱性能，但成本相對(duì)較高。相比之下，非導(dǎo)電漿料塞孔主要用于保護(hù)過孔，無需進(jìn)行表面處理，但對(duì)散熱或電流容量無益。這種技術(shù)通常使用阻焊層或其他類似材料來實(shí)現(xiàn)。

接下來，我們將深入探討電路板中的盲孔和埋孔設(shè)計(jì)規(guī)則。

盲孔設(shè)計(jì)

盲孔，其特點(diǎn)在于僅穿透電路板疊層的一部分，起始于外層并深入至內(nèi)部。盡管其加工成本略高于標(biāo)準(zhǔn)通孔，但盲孔為設(shè)計(jì)師提供了額外的布線通道，這在通孔因孔筒存在而無法利用下方或上方空間時(shí)顯得尤為寶貴。然而，需要注意的是，盲孔的制造需要一系列復(fù)雜步驟，包括鉆孔、電鍍和層疊，這在一定程度上增加了其成本。因此，在考慮使用盲孔時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡其帶來的布線靈活性與成本增加之間的關(guān)系。

埋孔設(shè)計(jì)

與盲孔相似，埋孔也是機(jī)械鉆孔的一種，但其鉆孔起點(diǎn)和終點(diǎn)均位于電路板的內(nèi)部層，而非表面。這種設(shè)計(jì)特別適用于布線密集的電路板，因?yàn)樗试S在埋孔的上方和下方設(shè)置布線通道，從而提高了布線的效率。然而，和盲孔一樣，埋孔的高成本也是設(shè)計(jì)師必須考慮的因素。通常，只有在顯著減少電路板層數(shù)或改善電氣性能的情況下，才推薦使用埋孔。

除了機(jī)械鉆孔的盲孔和埋孔外，激光鉆孔技術(shù)也提供了微孔作為替代方案。這種技術(shù)可能在某些情況下提供更佳的成本效益和性能優(yōu)勢(shì)。

微孔的物理結(jié)構(gòu)與PCB設(shè)計(jì)中的微孔應(yīng)用

微孔，一種直徑小于6密耳的孔洞，常采用激光鉆孔技術(shù)進(jìn)行制作。由于其尺寸小巧，微孔通常僅貫穿一層電路板，但這一特性卻使其在連接外部與內(nèi)部電路板層方面發(fā)揮了重要作用。盡管微孔制造成本相對(duì)較高，但其在許多通孔無法適用的場(chǎng)合下卻顯得尤為適用。

在PCB設(shè)計(jì)中，微孔需遵循一系列設(shè)計(jì)規(guī)則。首先，由于微孔尺寸較小，孔內(nèi)電鍍成為一大挑戰(zhàn)，因此設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量確保其直徑大于深度，以優(yōu)化電鍍效果。其次，焊盤尺寸的選擇也至關(guān)重要，針對(duì)微孔直徑較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師可以采用更小的焊盤尺寸，從而為布線通道的預(yù)留提供更多靈活性。此外，塞孔和電鍍工藝的應(yīng)用也是必不可少的，它們使得微孔與其他金屬元件能夠保持齊平，進(jìn)一步增強(qiáng)了微孔在盤中孔應(yīng)用中的適用性。

微孔在PCB布局中的應(yīng)用廣泛且不可或缺。在高密度設(shè)計(jì)中，如處理器和存儲(chǔ)器件的布線過程中，微孔發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們不僅可用于布線通道的優(yōu)化，還可與其他類型的過孔結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電路連接。同時(shí)，微孔的堆疊技術(shù)也使得電路板的布線效率得到了顯著提升。

一、過孔的類型

過孔一般又分為三類：通孔、盲孔和埋孔。

盲孔：指位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度與孔徑通常不超過一定的比率。

埋孔：指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路板的表面。

通孔：這種孔穿過整個(gè)線路板，可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以一般印制電路板均使用。

二、過孔的設(shè)計(jì)規(guī)則

綜合設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，工程師需要考慮以下問題：

過孔不能位于焊盤上;

器件金屬外殼與PCB接觸區(qū)域向外延伸1.5mm區(qū)域內(nèi)不能有過孔。

貼片膠點(diǎn)涂或印刷區(qū)域內(nèi)不能有過孔。如采用貼片膠點(diǎn)涂或印刷工藝的CHIP、SOP元件下方的PCB區(qū)域。

全通過孔內(nèi)徑原則上要求0.2mm(8mil)及以上，外徑的是0.4mm(16mil)以上，有困難地方必須控制在外徑為0.35mm(14mil)。

BGA在0.65mm及以上的設(shè)計(jì)建議不要用到埋盲孔，成本會(huì)大幅度增加。

過孔與過孔之間的間距不宜過近，鉆孔容易引起破孔，一般要求孔間距0.5mm及以上，0.35mm-0.4mm極力避免，0.3mm及以下禁止。

三、普通PCB中的過孔

在普通PCB 設(shè)計(jì)中，過孔的寄生電容和寄生電感對(duì)PCB設(shè)計(jì)的影響較小，對(duì)1-4層PCB 設(shè)計(jì)，一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm(鉆孔/ 焊盤/POWER 隔離區(qū))的過孔較好，一些特殊要求的信號(hào)線(如電源線、地線、時(shí)鐘線等)可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的過孔，也可根據(jù)實(shí)際選用其余尺寸的過孔。

四、高速PCB的過孔

高速PCB多層板中，信號(hào)從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚踊ミB線就需要通過過孔來實(shí)現(xiàn)連接，在頻率低于1GHz時(shí)，過孔能起到一個(gè)很好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略。

當(dāng)頻率高于1 GHz后，過孔的寄生效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的影響就不能忽略，此時(shí)過孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射、延時(shí)、衰減等信號(hào)完整性問題。

當(dāng)信號(hào)通過過孔傳輸至另外一層時(shí)，信號(hào)線的參考層同時(shí)也作為過孔信號(hào)的返回路徑，并且返回電流會(huì)通過電容耦合在參考層間流動(dòng)，并引起地彈等問題。

可見，在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡(jiǎn)單的過孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，工程師在設(shè)計(jì)中可以盡量做到：

選擇合理的過孔尺寸。對(duì)于多層一般密度的PCB 設(shè)計(jì)來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm(鉆孔/ 焊盤/ POWER 隔離區(qū))的過孔較好;對(duì)于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔，也可以嘗試非穿導(dǎo)孔;對(duì)于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗;

POWER隔離區(qū)越大越好，考慮PCB 上的過孔密度，一般為D1=D2+0.41;

PCB 上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說盡量減少過孔;

使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù);

電源和地的管腳要就近過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗;

在信號(hào)換層的過孔附近放置一些接地過孔，以便為信號(hào)提供短距離回路。