PCB过孔的设计详解

在现代电子设备中，印刷电路板(PCB)是核心组成部分，它承载着各种电子元器件并将它们通过电气信号连接在一起。随着电子设备的日益复杂，PCB的设计也变得更加精细和复杂。而在PCB的设计中，过孔(via)是不可或缺的元素，它在不同层之间传输信号和电源。合理设计过孔，不仅能够提升PCB的电气性能，还能够降低生产成本，避免潜在的制造和使用问题。本文将详细讲解PCB过孔的种类、功能以及设计中的注意事项。

PCB过孔是用于将不同层的铜箔线路连接起来的导电通道。通常为多层结构，常见的如双层板、四层板，甚至可以达到几十层。在这些层之间，过孔起到导电桥梁的作用。它是通过在电路板上钻孔，再在孔壁上镀铜而形成的导电通道。过孔的形状可以是圆形、椭圆形等，但最常见的是圆形。

过孔(via)是PCB设计中的一个重要知识点，特别是对高速多层PCB设计来说，过孔的设计需要引起工程师的重视。接下来一起来了解下PCB设计中的过孔知识。

过孔的类型

过孔一般又分为三类：通孔、盲孔和埋孔。

盲孔：指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，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

埋孔：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。

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，所以一般印制电路板均使用。

过孔的设计规则

综合设计与生产，工程师需要考虑以下问题：

过孔不能位于焊盘上;

器件金属外壳与PCB接触区域向外延伸1.5mm区域内不能有过孔。

贴片胶点涂或印刷区域内不能有过孔。如采用贴片胶点涂或印刷工艺的CHIP、SOP元件下方的PCB区域。

全通过孔内径原则上要求0.2mm(8mil)及以上，外径的是0.4mm(16mil)以上，有困难地方必须控制在外径为0.35mm(14mil)。

BGA在0.65mm及以上的设计建议不要用到埋盲孔，成本会大幅度增加。

过孔与过孔之间的间距不宜过近，钻孔容易引起破孔，一般要求孔间距0.5mm及以上，0.35mm-0.4mm极力避免，0.3mm及以下禁止。

普通PCB中的过孔

在普通PCB 设计中，过孔的寄生电容和寄生电感对PCB设计的影响较小，对1-4层PCB 设计，一般选用0.36mm/0.61mm/1.02mm(钻孔/ 焊盘/POWER 隔离区)的过孔较好，一些特殊要求的信号线(如电源线、地线、时钟线等)可选用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的过孔，也可根据实际选用其余尺寸的过孔。

高速PCB的过孔

高速PCB多层板中，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接，在频率低于1GHz时，过孔能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。

当频率高于1 GHz后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。

当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题。

高速PCB应如何设计过孔?

在高速PCB设计中，过孔将间接影响系统的正常运行，若是操作不当，将给电路设计带来很大的负面效应：

①选择适当的过孔尺寸

对于多层PCB板设计来说，选择0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区)过孔即可;

对于高密度的PCB板设计来说，选择0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔，也可以尝试非穿导孔;

对于电源或地线的过孔设计来说，则可选择较大的尺寸，以减小阻抗;

②PCB的信号走线尽量避免不换层，减少过孔;

③选择较薄的PCB，有利于减小过孔的寄生参数;

④在信号换层的过孔附近配备接地过孔，便于为信号提供短距离回路;

⑤POWER隔离区越大越好，考虑PCB板的过孔密度，最好是D1=D2+0.41。

过孔的功能与分类△ 过孔的重要性

在多层PCB线路板中，过孔起着电气连接和固定器件的重要作用。其钻孔成本往往占据PCB制板总成本的30%至40%。PCB上的每一个孔洞均可被定义为过孔。

△ 过孔的分类

从工艺制程上细分，过孔通常可分为盲孔、埋孔和通孔三类。盲孔主要分布在印刷线路板的顶层和底层，其特点是在一定深度内连接表层线路与内层线路，且孔深通常不超过特定比率。埋孔则是指位于内层的连接孔，不延伸至线路板表面，通常通过通孔成型工艺在层压前完成，并可能涉及多个内层的重叠。通孔贯穿整个线路板，常用于内部互连或元件安装定位。由于通孔工艺相对简单、成本较低，因此在实际应用中，大多数印刷电路板都采用通孔，而其他类型的过孔使用较少。

设计层面，过孔主要由钻孔及其周围的焊盘区组成，这两部分的尺寸共同决定了过孔的整体尺寸。

02PCB设计中的过孔尺寸△ 减小过孔尺寸的利弊

在高速且高密度的PCB设计过程中，减小过孔尺寸被视为理想选择，因为小尺寸的过孔能为板上布线腾出更多空间，同时，其自身的寄生电容也会随之减小，从而更适宜高速电路的需求。然而，过孔尺寸的缩小也带来了成本的增加。值得注意的是，过孔尺寸并非无限制可缩小，它受到钻孔和电镀等工艺技术的制约。例如，过小的孔径会延长钻孔时间，并增加偏离中心的风险;当孔深超过钻孔直径的6倍时，孔壁均匀镀铜的保证将不复存在。

△ 微孔技术的进步

得益于激光钻孔技术的进步，如今我们可以制作出直径小于等于6Mil的微孔。在HDI(高密度互连结构)设计中，微孔技术允许过孔直接打在焊盘上(即Via-in-pad)，这不仅显著提升了电路性能，还节省了宝贵的布线空间。