技術(shù)資訊 I 電路板 Layout 的 PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則

耀創(chuàng)深圳

本文要點(diǎn)

傳統(tǒng)通孔的使用位置和方法。

盲孔、埋孔和微孔的構(gòu)造和使用方法。

管理 PCB 設(shè)計(jì)中的過(guò)孔。

電路板可能包含數(shù)以千計(jì)的走線、焊盤和孔，用于在器件引腳之間傳導(dǎo)信號(hào)和輸送電源。電路板 layout 設(shè)計(jì)師的職責(zé)就是整理和設(shè)計(jì)這些元件，將它們正確地連接起來(lái)，避免與其他信號(hào)或電源網(wǎng)絡(luò)接觸。要做到這一點(diǎn)，就需要在電路板設(shè)計(jì)中布設(shè)走線，并在層與層之間用過(guò)孔（一種小孔）進(jìn)行過(guò)渡。

雖然使用過(guò)孔似乎是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的操作，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可能會(huì)用到許多不同類型的過(guò)孔。每種過(guò)孔都可能有不同的使用規(guī)則，作為設(shè)計(jì)人員，我們的職責(zé)就是讓過(guò)孔井然有序，并在 CAD 系統(tǒng)中為每種過(guò)孔應(yīng)用正確的規(guī)則。下面，我們將詳細(xì)介紹 PCB 過(guò)孔的設(shè)計(jì)規(guī)則，以及如何使用這些規(guī)則來(lái)保證電路板的性能和可制造性。

在空間有限的情況下， HDI 技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，為過(guò)孔、走線和器件留出空間又不增加電路板面積，滿足對(duì)小形狀參數(shù)的需求。

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傳統(tǒng)通孔：使用位置和方法

自第一塊雙層電路板投入量產(chǎn)以來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)的電鍍通孔已成為 PCB 設(shè)計(jì)中的基本元素。可以按照所需的任何尺寸在電路板上鉆出通孔，使走線或銅皮可以連接到任何一層電路板上的過(guò)孔。通孔有多種用途，包括：

常規(guī)布線：通孔是將一個(gè)電路板層上的信號(hào)走線過(guò)渡到另一個(gè)電路板層的標(biāo)準(zhǔn)方法。

逃逸布線：表面貼裝元件通常需要將引腳立即連接到過(guò)孔，以便在多層電路板的內(nèi)部層上布線。這些逃逸或扇出過(guò)孔通常是在布設(shè)其他走線之前進(jìn)行布線。逃逸過(guò)孔的擺放模式應(yīng)該是確定的，以便在其下方的電路板內(nèi)層中留出盡可能多的布線通道。

電源布線：過(guò)孔還用于將器件連接到電源/接地平面或走線。大多數(shù)電源過(guò)孔都比普通布線過(guò)孔要大，以適應(yīng)其中通過(guò)的更大的電流。

通孔還用于電路板上的特殊用途或特殊情況，包括以下幾種：

散熱孔：對(duì)于運(yùn)行溫度較高的元件，通孔通常會(huì)嵌入到一個(gè)大的中央接地焊盤中，以便通過(guò)電路板接地平面有效散熱。要避免因熱量積聚而導(dǎo)致電路板上的其他部件出現(xiàn)故障，這些過(guò)孔至關(guān)重要。

縫合孔：這類過(guò)孔為電路板不同層上的多條電源走線所傳導(dǎo)的大電流電路提供了多個(gè)連接。縫合孔還有助于這些電路的散熱并降低連接的電感。

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)。這種布線方式有助于抑制潛在的 EMI 問(wèn)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)布線在層間過(guò)渡時(shí)，接地傳輸孔用于保留多個(gè)接地平面層之間的信號(hào)返回路徑。

盤中孔：可以將過(guò)孔放置在密集型表面貼裝元件（如球柵陣列封裝，BGA）的焊盤中。這樣做有助于解決間距問(wèn)題，但對(duì)于在標(biāo)準(zhǔn)通孔中使用機(jī)械鉆頭的制造商來(lái)說(shuō)，制造盤中孔可能會(huì)是一個(gè)難題。微孔是一種更好的解決方案。

與軸向引線器件的電鍍通孔一樣，通孔需要在每一層電路板上都有一個(gè)焊盤，焊盤要足夠大，以便使用鉆孔機(jī)，但又要足夠小，以免占用過(guò)多空間。通孔還需要在電路板的平面層上設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的隔離焊盤 (anti-pad)，其大小應(yīng)與鉆孔直徑相適應(yīng)。電路板外層通孔周圍的金屬環(huán)稱為環(huán)形，環(huán)形是決定電路板可靠性等級(jí)的主要因素之一。1 級(jí)電路板允許環(huán)形被鉆孔破壞，而 2 級(jí)則要求鉆孔和環(huán)形相切。3 級(jí)電路板的可靠性等級(jí)最高，鉆孔周圍任何一點(diǎn)的環(huán)形厚度均不得低于 5 密耳。


PCB 布線 3D 視圖中的通孔和微孔

通孔的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則是根據(jù)鉆孔與電路板厚度的縱橫比選擇過(guò)孔尺寸。機(jī)械鉆頭的鉆孔深度有限，而縱橫比決定了鉆孔深度的極限。通常情況下，電路板制造商希望縱橫比不超過(guò) 10:1，這意味著在 62 密耳厚的電路板上，能可靠鉆出的最小尺寸的過(guò)孔是 6 密耳。

如果在 12 層電路板的前兩層使用通孔連接高速信號(hào)，大部分未使用的通孔筒體可能會(huì)起到天線的作用，造成信號(hào)完整性問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多制造商會(huì)對(duì)未使用的過(guò)孔部分進(jìn)行背面鉆孔。背鉆需要設(shè)計(jì)人員提供具體的說(shuō)明和數(shù)據(jù)，指明應(yīng)該去除哪些過(guò)孔筒體。不過(guò)，背鉆會(huì)增加制造成本，通常更好的選擇是使用微孔或盲孔和埋孔來(lái)提高電路板的性能。


最后，如有必要，可以覆蓋或填充通孔，但與背鉆一樣，這種操作也需要 PCB 設(shè)計(jì)人員向制造商提供具體說(shuō)明：

過(guò)孔蓋油：使用阻焊層覆蓋過(guò)孔，實(shí)際上不會(huì)填充通孔，但必須注意避免焊接加熱時(shí)在筒體中產(chǎn)生氣泡，進(jìn)而導(dǎo)致氣體外泄。通常，在過(guò)孔蓋油的中心位置會(huì)留有一個(gè)小孔，以便排出熱空氣。過(guò)孔蓋油有助于使過(guò)孔更接近表面貼裝焊盤圖案，而不會(huì)使焊料從孔中流下。

導(dǎo)電漿料塞孔：使用環(huán)氧樹脂結(jié)合金、銀或銅等金屬物質(zhì)填充通孔。這種塞孔方式有助于提高過(guò)孔的電流容量和散熱性能，但價(jià)格昂貴。

非導(dǎo)電漿料塞孔：這種塞孔方式可保護(hù)過(guò)孔，無(wú)需進(jìn)行表面處理，但對(duì)散熱或電流容量沒(méi)有任何幫助。這種塞孔方式通常使用阻焊層或其他類似材料。



CAD 系統(tǒng)中的過(guò)孔及其布線的 3D 視圖

接下來(lái)，我們將了解有關(guān)電路板盲孔和埋孔的 PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則。

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盲孔和埋孔的 PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則

為了在電路板上創(chuàng)造更多的布線空間，制造商想出了一種方法來(lái)限制通孔所能穿透的電路板層數(shù)。這些過(guò)孔被稱為盲孔或埋孔，但設(shè)計(jì)人員需要注意的是，它們的加工成本要高于標(biāo)準(zhǔn)通孔。

盲孔
盲孔始于電路板的外層，只穿過(guò)電路板疊層的一部分。因?yàn)槊た资菣C(jī)械鉆孔，所以盲孔的鉆孔尺寸限制與通孔相同，但在電路板疊層中，盲孔的下方或上方允許有額外的布線通道。這一點(diǎn)使盲孔與背鉆的通孔相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥�孔由于孔筒的緣故，其下方或上方都不允許布線。

盲孔是按順序制造的，這意味著要先對(duì)層對(duì)進(jìn)行鉆孔和電鍍，然后再將它們粘合在一起。因?yàn)槊た自谥圃爝^(guò)程中需要額外的步驟，所以成本效益不高，但出于信號(hào)完整性或電氣性能的考慮，可能需要使用盲孔。PCB 設(shè)計(jì)人員應(yīng)謹(jǐn)慎使用盲孔，只有在必要時(shí)并在與制造商確定制作細(xì)節(jié)后才可使用。

埋孔
埋孔與盲孔一樣都是機(jī)械鉆孔，但它們的起止點(diǎn)在電路板的內(nèi)部層，而不在表面。埋孔對(duì)于布線密集的 PCB 非常有用，允許在埋孔的上方和下方設(shè)置布線通道。不過(guò)，與盲孔一樣，埋孔的成本也很高，除非使用埋孔能顯著減少電路板的層數(shù)，否則其性價(jià)比不高。

除了機(jī)械鉆孔的盲孔和埋孔外，更好的選擇是使用激光鉆孔的微孔。



微孔物理結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖

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PCB 設(shè)計(jì)中的微孔揭秘

微孔是指直徑小于 6 密耳的孔，通常使用激光鉆孔。由于微孔尺寸很小，通常只穿過(guò)一層，但可用于外部和內(nèi)部電路板層。由于尺寸小，微孔適用于許多無(wú)法使用通孔的情況，但其制造成本要高得多。與微孔相關(guān)的其他 PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則包括：

縱橫比：微孔尺寸小，因此很難對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行電鍍，最佳做法是使其直徑大于深度。

焊盤尺寸：由于微孔直徑較小，PCB 設(shè)計(jì)人員可以使用更小的焊盤尺寸，小至 12 密耳，從而留出更多的布線通道。

塞孔：通常還會(huì)對(duì)微孔進(jìn)行塞孔和電鍍，使其與其他金屬元件齊平。這種塞孔方式使得微孔非常適合盤中孔應(yīng)用。

微孔在 PCB layout 中的應(yīng)用非常廣泛，是高密設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元素。如果不在高密度 BGA 的小焊盤中放置微孔，這些引腳數(shù)很多的處理器和存儲(chǔ)器件就無(wú)法布線。微孔還可以與其他類型的過(guò)孔結(jié)合使用。微孔不僅可以相互堆疊，還可以與埋孔或盲孔堆疊。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了用于 PCB 布線的不同類型的過(guò)孔及其設(shè)計(jì)規(guī)則，下面我們來(lái)看看 PCB 設(shè)計(jì)人員如何在設(shè)計(jì)中管理這些過(guò)孔。


Cadence allegro X PCB Designer 中的編輯過(guò)孔列表

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管理 PCB 設(shè)計(jì)中的過(guò)孔

在管理設(shè)計(jì)中的過(guò)孔之前，首先要在 PCB CAD 數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建過(guò)孔。為此，我們可以自己構(gòu)建過(guò)孔對(duì)象，也可以從其他來(lái)源導(dǎo)入。大多數(shù) CAD 系統(tǒng)都提供構(gòu)建過(guò)孔的工具和功能，例如 Cadence Allegro X PCB Designer中的 padstack Editor。一旦構(gòu)建了過(guò)孔，就可以將其保存到公司庫(kù)中，以便在未來(lái)的設(shè)計(jì)中使用。

現(xiàn)在，過(guò)孔已經(jīng)構(gòu)建完成并可供使用，我們可以從上圖所示的列表中選擇要使用的過(guò)孔。這類工具可以直觀地顯示過(guò)孔的構(gòu)造，因此我們可以清楚地知道自己正在使用哪種過(guò)孔。在 Cadence Allegro X PCB Designer 的 Constraint Editor 中，我們可以將合適的過(guò)孔分配給單個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)類，以便對(duì)電路板進(jìn)行布線。借助 PCB 過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)人員可以管理設(shè)計(jì)中使用的不同過(guò)孔，而無(wú)需為每個(gè)新網(wǎng)絡(luò)手動(dòng)更改過(guò)孔。一旦設(shè)置正確，設(shè)計(jì)規(guī)則將自動(dòng)為正在布線的網(wǎng)絡(luò)選擇正確的過(guò)孔，從而減輕設(shè)計(jì)人員的工作量。

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