过孔:类型和应用

2020年8月28日

关键的外卖

PCB通孔的不同类型及其应用。
关于过孔应该考虑的一些重要细节。
在PCB设计CAD工具中设置和使用过孔。

设计中通孔和HDI通孔的3D视图。

在我们的房子里，我们有一个洗衣斜槽，尽管他们多年来一直否认，但我很确定我的孩子们用那个斜槽洗的不仅仅是脏衣服。毕竟，如果你可以从滑槽滑下来，很快就会在厨房里结束，为什么还要花时间走下楼梯呢?作为一名家长，我当然不会容忍这种旅行方式，但作为一名PCB设计师，我钦佩他们的独创性。让我们面对现实吧，与走廊和楼梯相比，洗衣槽就像印刷电路板上的通道一样，是房子两层之间非常短的一条路。

在PCB设计中使用过孔允许设计人员缩短为了完成其连接而必须路由的迹线距离。就像洗衣槽一样，过孔会将痕迹下拉到另一个有清晰路径的层上，而不是绕着很长的路徘徊。重要的是要了解不同的via类型和应用程序是什么，以便有效地将它们用于制造和生产的目的信号的完整性．让我们来看看PCB设计师可以使用的不同通孔，以及它们应该如何使用。

不同类型的过孔及其应用

过孔是连接到PCB的金属电路的金属衬里孔，在电路板的不同层之间传导电信号。虽然过孔的尺寸、衬垫形状和孔直径各不相同，但只有少数几种不同的过孔类型或结构:

通孔通孔:这是一种在电路板上最常用的通孔。这些孔是用机械钻头钻穿板子的，大小可达6密耳。
埋入式过孔:该过孔仅连接电路板的内层，对于布线非常密集的pcb非常有用。
盲通道:这个通道从板的顶部或底部开始，但不会一直穿过它。
微孔:对于小于6密耳的孔，用激光打孔microvia使用。这些通孔只连接两个相邻的板层，并且可以位于板层堆叠的表面或埋在板层堆叠中。微孔是非常通用的，可以堆叠在一起，或在一个埋通孔的顶部，但有较高的制造成本与他们相关。
过孔板(VIP):这些过孔可以是标准通孔过孔或微过孔，但它们在表面安装垫中的位置使它们独特。如果使用标准的机械钻，该孔将需要额外的制造步骤，以防止焊盘上的焊料通过孔向下流动。另一方面，微孔没有这个问题，但由于高密度设计中更严格的迹线和空间公差，它们可能更难制造。

最终，使用哪种类型的通孔取决于印刷电路板的技术、电路需求和PCB制造的目标成本。例如，微通孔由于其较小的尺寸而非常值得使用，但这并不一定使其成为最佳选择。一个微孔有更多的步骤涉及到它的制造，因此，是更昂贵的机械钻通孔通过相比。但如果你设计的是高密度互连板，的microvia成为更好的选择。以下是通孔在PCB设计中的常见用途:

信号布线:大多数电路板将使用一个通孔通道的信号布线放置在一个网格．然而，密度较高的板也可能使用盲孔或埋孔，而非常密集的板将需要微孔。
逸出布线:较大的表面贴装(SMT)组件通常可以通过通孔通孔进行逸出或扇出布线。在某些情况下，将使用盲通孔或微通孔，并在非常密集的封装上，如高引脚数bga, avia-in-pad将被使用。
电源布线:由于用于电源和地网的通孔将传导更多电流，它们通常被限制在更大的通孔通孔中，尽管盲通孔也可以使用。
缝合过孔:这些过孔用于提供到一个平面的多个连接，因此，是通孔或盲过孔。例如，电路的敏感区域可能被带通孔的金属条包围，以连接到接地平面以进行EMI保护。
热通孔:在这种情况下，通孔用于传热从一个组件通过它所连接的内部平面层出来。这通常需要一个更大的通孔或盲孔，这些通孔通常也在这些设备的衬垫中。

现在我们已经了解了什么是过孔以及如何使用过孔，让我们更深入地讨论一些PCB设计师应该注意的使用过孔的注意事项。

小心通孔组，可能会阻塞信号返回路径在一个地平面。

关于过孔的重要注意事项

在PCB布局设计师可以开始将过孔放入他们的电路板设计之前，还有一些关于过孔的细节需要讨论。我们已经简单地讨论了通孔通孔和微孔通孔之间的制造成本差异，如果你还没有准备好，这可能是一个真正的警钟。现在，还有一些其他的考虑也要记住。

纵横比

当使用机械钻来创建标准通孔时，重要的是要记住，可接受的最小钻径尺寸是基于电路板的厚度。机械钻头钻穿材料的数量是有限的，否则它们就会变得不可靠。这是通过板厚与钻头尺寸的关系来测量的，PCB制造商通常要求其钻头尺寸的纵横比不超过10:1。这意味着对于62密耳厚的电路板，您应该使用的最小机械钻尺寸是6密耳或0.006英寸。如果你需要一个更小的孔，你应该考虑使用微孔纵横比1:1。

环孔

通过垫的大小是重要的。你需要确保一个足够大的环形环后，通过钻。机械钻头在钻孔时可能会漂移一点，如果没有足够的环形环，孔道可能会因钻漏而受损。

信号的完整性

虽然通孔很短，但它仍然是导体的可测量长度，这可能会导致紧致问题信号完整性要求。例如，连接十层板上两层的通孔将有8层不必要的金属，可能会产生干扰。重要的是要发现这样的问题，并通过技术补救，如回钻孔，以删除未使用的金属从线路之前，它作为天线。这就是PCB设计工具(如Cadence Allegro)的信号完整性分析仪可以在电路板出厂制造之前帮助设计师发现这些问题的地方。

路由密度

在电路板的密集区域被路由的情况下，设计者必须注意它们不会阻塞路由通道或地平面返回路径通过。这可能发生在高密度部件下，如高引脚bga，在一个小区域内有数百个通孔。这就是使用盲通孔和微通孔在规划BGA转导时变得至关重要的地方，这样每个引脚都得到路由，但重要的路由通道和面不会被阻挡在部件下面。

有了这些考虑，现在是时候开始在设计中实例化通孔了。接下来，我们将看看PCB设计系统中的一些功能，这些功能将使工作更容易。

PCB布局工具系统中的堆垛编辑器。

在PCB设计CAD工具中创建和使用通孔

为了在PCB设计中使用过孔时获得最佳结果，您需要一个既强大又灵活的CAD系统。你不仅需要工具来创建你需要的精确过孔，而且你还需要一些高级功能来使用这些过孔，因为你路由你的板。

Via创建:第一步是创建Via，正如你在上图中看到的，有一个高级的padstack编辑器，就像在Allegro PCB Designer中提供的一样，是非常有用的。有了它，您不仅可以指定不同层的垫层形状和尺寸，还可以控制钻头尺寸、公差和偏移量。
PCB库:一旦过孔完成，它有助于能够将这些过孔在一个图书馆你可以一次又一次地使用它们。这将为您在未来的设计中节省大量的时间和挫折，不必不断地重新发明轮子。
路由工具:下一步是在路由时使用过孔，Allegro也涵盖了这一点。你不仅可以在路由时手动实例化你的通道，而且有很多通道自动化功能比如扇出路由器，你会发现它很有用。
高级功能:Allegro增强的功能将提升您对过孔的使用到一个新的水平。举个例子，通过结构；这一独特的功能将通孔与轨迹、形状和保持相结合，以创建具有高速属性的自动扇出。
设计规则:用约束管理器在Allegro PCB设计器中，您将可以控制每个单独的网络使用哪个通孔。