PCB过孔对信号传输的影响
过孔对信号的影响
过孔对信号的影响过孔对信号的影响一、过孔的寄生电容过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。
举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil，则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps。
从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，设计者还是要慎重考虑的。
二、过孔的寄生电感同样，过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。
它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。
我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：L=5.08h［ln（4h/d）+1］其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。
从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。
仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH。
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。
这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
过孔阻抗计算公式_解释说明以及概述
过孔阻抗计算公式解释说明以及概述1. 引言1.1 概述过孔阻抗计算公式是在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）设计和制造过程中非常重要的一个环节。
通过计算过孔阻抗，我们可以评估和控制信号在PCB上传输时的信号完整性和干扰情况。
精确的过孔阻抗计算可以帮助工程师设计出高质量和高可靠性的电子产品。
1.2 文章结构本文将对过孔阻抗计算公式进行解释说明，并概述该领域的相关内容。
文章主要分为五个部分：第一部分是引言，其中概述了过孔阻抗计算公式的重要性，同时介绍了本文的结构和目标。
第二部分将详细解释和说明过孔阻抗的定义、计算方法以及推导公式。
通过这一部分，读者将能够全面理解和掌握过孔阻抗计算的基本原理。
第三部分将对过孔设计与影响因素进行深入分析。
我们会探讨过孔设计所需满足的标准与要求，并研究材料选择以及不同几何参数对过孔阻抗的影响。
第四部分将通过具体的实例分析和应用案例说明，进一步展示过孔阻抗计算公式的实际应用。
我们会分析具体PCB板上的过孔阻抗，并讨论不同应用场景下的过孔设计和优化策略。
此外，还会介绍并评估比较各种过孔阻抗计算工具和软件。
最后一部分是结论与展望。
我们将总结归纳主要论点，并指出当前研究存在的不足之处。
同时，根据当前研究结果，提出未来发展方向对过孔阻抗计算公式进行进一步研究。
1.3 目的本文旨在全面解释和说明过孔阻抗计算公式，并探讨其在PCB设计中的重要性和应用影响。
通过本文，读者将能够理解过孔阻抗计算原理、掌握相关设计标准与要求以及深入了解材料选择和几何参数对过孔阻抗的影响。
此外，我们还将提供实例分析和案例说明，帮助读者更好地应用这些知识于实际工程中。
最后，在结论与展望部分，我们还会指出当前研究的不足之处，并提出未来发展的方向。
通过阅读本文，读者将更加全面地了解和掌握过孔阻抗计算公式的相关内容。
2. 过孔阻抗计算公式解释说明：2.1 过孔阻抗的定义：过孔阻抗是指在印刷电路板（PCB）中穿过板层的导电通孔对于高频信号的阻碍程度。
过孔对PCB的影响
过孔对PCB的影响过孔是印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上一种重要的电气连接方式，用于连接不同的电路层，通过过导线使电路层间相互连接。
然而，使用过孔也会对PCB产生一些影响。
下面将从制作过程、电性能、可靠性以及封装设计等方面展开讨论。
首先，从制作过程来看，过孔的加工会增加PCB的制造复杂度。
在PCB的制作过程中，需要先在电路板上钻孔，然后在孔内 metalize 形成金属电导体，从而形成导通。
这个过程需要使用高速钻孔机或雷射钻孔机进行操作。
而过孔的加工还需要控制钻孔的位置精度和孔径精确度，大大增加了制造成本。
其次，过孔还会对PCB的电性能产生一定的影响。
由于过孔实质上是在PCB板上开了一个孔，因此，从电学角度看，过孔将会产生一个噪声源，从而对PCB的信号完整性产生一定的影响。
特别是当信号经过过孔时会引起信号的失真、串扰等问题，尤其在高频电路中影响更为显著。
因此，在高频电路设计中，需要特别关注过孔对信号完整性的影响，并采取一些措施，如通过设置仿真模型、调整PCB布局来减小过孔带来的信号干扰。
此外，过孔还会对PCB的可靠性产生一定影响。
过孔是PCB上电线的一个重要连接点，因此，其质量对整个PCB的可靠性至关重要。
一旦过孔质量不合格，比如钻孔位置偏离、孔壁不光滑或者镀铜层不均匀等问题，都有可能导致PCB在使用过程中发生故障。
因此，在PCB制造过程中，要严格控制过孔加工的质量，确保过孔的精度和可靠性。
最后，对于封装设计来说，过孔的存在会对PCB封装类型产生一定的限制。
因为过孔的存在会让PCB板变得不均匀，这会对贴装组件的封装和安装造成一些困难。
对于BGA或者QFN等封装的器件来说，过孔的存在可能需要特别的工艺要求或者额外的工序来处理过孔和贴装的冲突。
因此，在封装设计中，需要考虑到过孔对贴片元件封装的影响，并合理调整PCB板面上贴片元件和过孔的布局。
综上所述，过孔是PCB中一种重要的电气连接方式，但也会对PCB产生一些不利的影响。
差分对与PCB过孔的关系
差分对：你需要了解的与过孔有关的四件事在一个高速印刷电路板（PCB）中，通孔在降低信号完整性性能方面一直饱受诟病。
然而，过孔的使用是不可避免的。
在标准的电路板上，元器件被放置在顶层，而差分对的走线在内层。
内层的电磁辐射和对与对之间的串扰较低。
必须使用过孔将电路板平面上的组件与内层相连。
幸运的是，可设计出一种透明的过孔来最大限度地减少对性能的影响。
1. 过孔结构的基础知识让我们从检查简单过孔中将顶部传输线与内层相连的元件开始。
图1是显示过孔结构的3D图。
有四个基本元件：信号过孔、过孔残桩、过孔焊盘和隔离盘。
过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。
信号过孔连接不同层上的传输线。
过孔残桩是过孔上未使用的部分。
过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至顶部或内部传输线。
隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。
图1：单个过孔的3D图2. 过孔元件的电气属性如表格1所示，我们来仔细看一看每个过孔元件的电气属性。
表1：图1中显示的过孔元件的电气属性一个简单过孔是一系列的π型网络，它由两个相邻层内构成的电容-电感-电容（C-L-C）元件组成。
表格2显示的是过孔尺寸的影响。
表2：过孔尺寸的直观影响通过平衡电感与寄生电容的大小，可以设计出与传输线具有相同特性阻抗的过孔，从而变得不会对电路板运行产生特别的影响。
还没有简单的公式可以在过孔尺寸与C和L元件之间进行转换。
3D电磁（EM）场解算程序可以根据PCB布局布线中使用的尺寸来预测结构阻抗。
通过重复调整结构尺寸和运行3D仿真，可优化过孔尺寸，来实现所需阻抗和带宽要求。
3. 设计一个透明的差分过孔我们曾在之前的帖子中讨论过，在实现差分对时，线路A与线路B之间必须高度对称。
这些对在同一层内走线，如果需要一个过孔，必须在两条线路的临近位置上打孔。
由于差分对的两个过孔距离很近，两个过孔共用的一个椭圆形隔离盘能够减少寄生电容，而不是使用两个单独的隔离盘。
高速PCB过孔研究解析
在数字通信系统中，随着PCB布线密度，布线层数和传输信号速率的不断增加，信号完整性的问题变得越来越突出，已经成为高速PCB设计者巨大的挑战。
而在高速PCB设计中，过孔已经越来越普遍使用，其本身的寄生参数极易造成信号完整性问题，如何减少过孔本身所产生的信号完整性问题，已经成为高速PCB设计者研究的重点和难点。
过孔是多层高速PCB的重要组成部分，过孔的费用通常可以占到整个PCB费用的30%~40%，过孔主要由两个作用：不同层的电气连接和器件的固定和定位。
工艺上分为盲孔，埋孔和通孔。
盲孔和埋孔得深度不超过PCB的厚度，只连通PCB中的部分层；通孔则贯穿整个PCB层，另外由于通孔在工艺上更易实现，成本较低，所以绝大部分PCB只使用通孔，本文主要讨论通孔的情况。
若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如图所示。
图过孔的等效电路模型从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。
同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。
它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。
假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。
过孔近似的寄生电感大小近似于：为了量化分析过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响，本文采用了全波电磁仿真软件HFSS软件对高速PCB过孔进行了三维仿真分析，与传统的电路等效方式仿真，全波电磁仿真软件具有仿真结果准确可靠，仿真速度快，界面友好等优点。
为详细分析过孔的关键参数对过孔性能的影响，把部分关键参数设置为动态，设置如下：材质为FR4，介点系数为4.4，反焊盘直径R_antipad变化范围10mil~17mil；过孔直径R_via变化范围10mil~13mil，过孔焊盘R_pad变化范围12mil~16mil，过孔深度H_pad变化范围59mil~70mil。
过孔的寄生电容和电感
? ? 从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，
但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，就会用到多个过孔，设计时就要慎重考虑。
实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离（Anti-pad）或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。
6．对于密度较高的高速PCB板，可以考虑使用微型过孔
举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用的过孔焊盘直径为20Mil（钻孔直径为10Mils），阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
? ? 这部分电容引起的上升时间变化量大致为：
2．上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3．PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4．电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔，以减少等效电感。
5．在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地过孔。
? ? 过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。
它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
? ? 其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。
过孔对pcb的影响
PCB过孔对信号传输的影响一．过孔的基本概念过孔（via）是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。
简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。
从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。
如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。
盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。
埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。
上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。
第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。
由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。
以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。
从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔（drill hole）,二是钻孔周围的焊盘区。
这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。
很显然，在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。
但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。
比如，如果一块正常的6层PCB 板的厚度（通孔深度）为50Mil，那么，一般条件下PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。
随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸也可以越来越小，一般直径小于等于6Mils的过孔，我们就称为微孔。
PCB中过孔对高速信号传输的影响
PCB中过孔对高速信号传输的影响1.阻抗不匹配：过孔本身具有电容和电感，会对信号传输的阻抗造成影响。
当高速信号通过过孔时，会产生反射和干扰，导致信号的丢失和信号质量的下降。
特别是在信号频率较高时，过孔的阻抗不匹配可能会导致严重的信号失真。
2.信号耦合：当多个信号线通过相同的过孔时，会产生信号间的互相干扰，从而影响信号的稳定性。
这种信号耦合可以是电容耦合、电感耦合或电磁辐射耦合等。
这种耦合会导致信号的干扰、串扰和失真，并可能引起信号的节奏不稳定。
3.串扰：高速信号经过过孔时，由于信号的边沿陡峭，会在过孔附近引起电磁波的辐射和传播。
这种辐射和传播会导致信号在邻近信号线上产生串扰。
特别是对于相邻的差分信号线，通过过孔时的串扰效应会更加显著。
4.发射和接收延迟：高速信号通过过孔时，由于信号传播速度的差异，会造成发射和接收之间的延迟。
这种延迟会导致时钟与数据之间的不同步，从而影响信号的稳定性和可靠性。
为了解决过孔对高速信号传输的影响，有以下一些方法和技术可以采取：1.使用仿真工具：通过使用电磁仿真工具，可以预测和评估信号在过孔附近的行为，并优化PCB设计，以减少信号失真和干扰。
2.地线设计：合理的地线设计可以有效地减少通过过孔的信号干扰。
例如，采用分离的地线平面，或通过增加任意形状的引地过孔来引导过孔附近的电磁辐射。
3.差分信号设计：差分信号可以降低信号的干扰和串扰效应。
通过合理走线和阻抗匹配，可以减少差分信号通过过孔时的干扰。
4.使用垂直通孔：垂直通孔通常比普通的过孔更好地保持信号完整性，因为它们更短且直接连接在PCB层上。
5.减少过孔数量：减少过孔数量可以减少对信号传输的影响。
优化布局和走线，尽量避免过孔和通过过孔的信号。
总之，PCB中过孔对高速信号传输有一系列影响，包括阻抗不匹配、信号耦合、串扰以及发射和接收延迟。
通过使用仿真工具、合理的地线设计、差分信号设计、垂直通孔以及减少过孔数量等方法，可以减少过孔对高速信号传输的影响，提高PCB设计的性能和可靠性。
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PCB过孔对信号传输的影响
-----Maxconn整理 /blog/maxconn/3796/message.aspx
一．过孔的基本概念
过孔（via）是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。
简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。
从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。
如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。
盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。
埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。
上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。
第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。
由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。
以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。
从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔（drill hole）,二是钻孔周围的焊盘区。
这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。
很显然，在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。
但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。
比如，如果一块正常的6层PCB板的厚度（通孔深度）为50Mil，那么，一般条件下PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。
随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸也可以越来越小，一般直径小于等于6Mils的过孔，我们就称为微孔。
在HDI（高密度互连结构）设计中经常使用到微孔，微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上（Via-in-pad），这大大提高了电路性能，节约了布线空间。
过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。
一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右，比如50欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆（具体和过孔的尺寸，板厚也有关，不是绝对减小）。
但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的，其反射系数仅为：(44-50)/(44+50)=0.06，过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。
二、过孔的寄生电容和电感
过孔本身存在着寄生的杂散电容，如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：
C="1".41εTD1/(D2-D1)
过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。
举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用的过孔焊盘直径为20Mil（钻孔直径为10Mils），阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：
C="1".41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
这部分电容引起的上升时间变化量大致为：
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，就会用到多个过孔，设计时就要慎重考虑。
实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离（Anti-pad）或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。
过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。
它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。
我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：
L="5".08h[ln(4h/d)+1]
其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。
从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。
仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：
L="5".08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。
这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
三、如何使用过孔
通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。
为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：
1．从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。
必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔，比如对于电源或地线的过孔，可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗，而对于信号走线，则可以使用较小的过孔。
当然随着过孔尺寸减小，相应的成本也会增加。
2．上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3．PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4．电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好。
可以考虑并联打多个过孔，以减少等效电感。
5．在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。
甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地过孔。
6．对于密度较高的高速PCB板，可以考虑使用微型过孔。