涨知识! 过孔对高频信号传输的影响

过孔对高频信号传输的影响主要体现在信号损耗、阻抗匹配和电磁干扰三个方面：

信号损耗

孔径大小直接影响高频信号的衰减程度。例如，在28GHz频段，0.3mm孔径的过孔每厘米损耗比0.2mm孔径高2.1dB，这种差异在长距离传输中会被放大。大孔径因孔壁铜层电流路径更长、电磁耦合更强，导致导体损耗和介质损耗均增加。采用0.15mm激光孔可降低1.8dB损耗。 ‌

阻抗匹配

孔径是阻抗不连续的重要来源，直接影响信号反射强度。例如，50Ω传输线经过0.3mm孔径过孔时，阻抗突变可达±10Ω;而0.2mm孔径的阻抗波动仅±5Ω。10GHz信号经过0.4mm孔径过孔后，反射损耗会从-20dB恶化至-12dB，相当于40%的信号能量被反射回源端。 ‌

电磁干扰

大孔径过孔的Stub残留(未去除的过孔段)会形成谐振腔，导致高频信号损耗骤增。例如，0.4mm孔径的Stub在8GHz时产生谐振峰，而0.2mm孔径的Stub谐振峰出现在15GHz，覆盖更多高频场景。采用背钻工艺去除Stub并配合0.2mm孔径，可使谐振峰衰减10dB以上。 ‌

优化建议

‌高频场景‌(如5G通信、毫米波雷达)：优先选用0.2mm孔径，并通过背钻工艺控制Stub残留长度≤0.3mm。 ‌

‌低损耗基材‌(如Rogers 4350)：孔径差异影响较小，但仍建议采用小孔径以降低损耗。 ‌

‌回流地过孔‌：在信号过孔周围添加接地过孔，可改善阻抗连续性并减少电磁辐射。 ‌

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。

过孔(Via)在PCB多层板设计中被广泛应用，但过孔若是处理不当，很有可能对高频信号传输产生不良影响，所以工程师在设计高频电路时，若是要用到过孔，需要知道以下的知识。

从作用上来看，过孔的作用大致上可归类为：用作各层间的电气连接和用作器件的固定或定位;从工艺支撑上来看，过孔可分为盲孔、埋孔及通孔。

盲孔位于PCB板的顶层和底层表面，具有一定的深度，常用于表层线路和下面的内层线路的连接，注意孔的深度不超过一定的比率(孔径);而埋孔是指位于PCB板内层的连接孔，不会延伸到线路板的表面，盲孔及埋孔都位于PCB板内层，，而通孔是横穿过整个线路板，它的功能是用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔，由于通孔在个以上更容易实现，且成本较低，所以很多电路板会采用通孔，下面所说的过孔，若没有特殊说明，均作为通孔考虑。

一般来说，过孔的尺寸大小将由中间钻孔及钻孔周围的焊盘区所决定，在高速高密度PCB设计时，国控越小越好，因为可以留出更多的布线空间，而且自身寄生电容更小。

同时呢，过孔的设置也要注意以下几方面：

电感和电容： 过孔的存在会引入额外的电感和电容。这些电感和电容值可能较小，但在高频信号传输中会产生显著的影响。电感会导致信号的延迟，而电容则会降低信号的带宽。

串扰和反射： 过孔可以导致信号串扰和反射。串扰是因为信号在过孔附近的地区传播，可能干扰其他信号线。反射是因为信号在过孔处会部分反射回去，引起波形失真。

阻抗匹配： 过孔的存在会改变信号线的阻抗。在高频电路中，阻抗匹配非常重要，因为不匹配的阻抗会导致信号反射和丧失。电子工程师需要采取措施来确保过孔的影响不会破坏阻抗匹配。

损耗： 过孔的存在还会引入信号的额外损耗。这种损耗可能不明显，但在高频应用中需要仔细考虑。

布局和设计： 考虑过孔的位置和布局对于减小其影响至关重要。合理的布局可以减小串扰和反射，同时确保信号线的阻抗匹配。

信号损耗：孔径是 “高频信号的衰减器”

在高频频段，过孔孔径的大小直接决定信号的衰减程度。PCB 批量厂家的插入损耗测试显示，在 28GHz 频段，0.3mm 孔径的过孔每厘米损耗比 0.2mm 孔径高 2.1dB，这种差异在长距离传输中会被急剧放大。这源于两个核心因素：大孔径的孔壁铜层电流路径更长，趋肤效应导致的导体损耗增加;同时，大孔径与周围介质的电磁耦合更强，介质损耗也随之上升。某 PCB 批量厂家为 28GHz 毫米波雷达设计的 0.15mm 激光孔，使信号传输损耗降低 1.8dB，远超设计预期。

过孔的 “Stub 效应” 与孔径密切相关。未去除的过孔残留段(Stub)会形成谐振腔，0.4mm 孔径的 Stub 在 8GHz 时就会产生谐振峰，导致损耗骤增;而 0.2mm 孔径的 Stub 谐振峰出现在 15GHz，能覆盖更多高频场景。PCB 批量厂家的解决方案是：对 10GHz 以上信号，采用背钻工艺去除 Stub，且残留长度控制在 0.3mm 以内，配合 0.2mm 孔径，可使谐振峰衰减 10dB 以上。

不同基材下的孔径损耗差异明显。在低损耗基材(如 Rogers 4350)上，0.3mm 与 0.2mm 孔径的损耗差异比普通 FR-4 小 30%。这是因为高频基材的介质损耗更低，弱化了孔径带来的损耗差异。

阻抗匹配：孔径决定 “信号反射的强度”

过孔孔径是阻抗不连续的重要来源，直接影响信号反射的强弱。PCB 批量厂家的阻抗测试数据显示，50Ω 传输线经过 0.3mm 孔径过孔时，阻抗会出现 ±10Ω 的突变;而 0.2mm 孔径的过孔阻抗波动仅 ±5Ω。这种突变在高速信号传输中会产生严重反射 ——10GHz 信号经过 0.4mm 孔径过孔后，反射损耗会从 - 20dB 恶化至 - 12dB，相当于 40% 的信号能量被反射回源端。

不同孔径的阻抗补偿方案差异显著。对于 0.3mm 孔径，PCB 批量厂家通常会将过孔周围的传输线线宽缩减 10%(如从 5mil 减至 4.5mil)，通过降低传输线阻抗抵消过孔的高阻抗突变;而 0.2mm 孔径仅需缩减 5%，补偿难度明显降低。某通信 PCB 批量厂家的实践证明，经过优化的 0.2mm 孔径过孔，能使 10GHz 信号的反射损耗控制在 - 25dB 以下，远优于未补偿的 0.3mm 孔径。

过孔焊盘尺寸与孔径的匹配同样关键。行业共识是焊盘直径应为孔径的 2-2.5 倍，例如 0.2mm 孔径搭配 0.4-0.5mm 焊盘，0.3mm 孔径搭配 0.6-0.75mm 焊盘。PCB 批量厂家的仿真分析显示，当焊盘与孔径比小于 1.5 倍时，阻抗突变会增加 50%，这是很多工程师容易忽视的细节。

在密集布线的高频 PCB 中，过孔孔径的大小直接影响信号间的串扰水平。PCB 批量厂家的串扰测试显示，10GHz 信号通过 0.3mm 孔径过孔时，与相邻过孔的串扰比 0.2mm 孔径高 8dB，这是因为大孔径的电磁场分布范围更广，更容易与邻近信号产生耦合。某高速 SerDes 总线 PCB 通过将过孔孔径从 0.3mm 缩至 0.2mm，使串扰从 - 20dB 降至 - 28dB，满足了 10Gbps 信号的传输要求。

过孔间距与孔径的比例是串扰控制的关键。PCB 批量厂家的经验公式是：过孔间距≥5 倍孔径，例如 0.2mm 孔径的过孔间距需≥1mm，0.3mm 孔径需≥1.5mm。当这个比例小于 3 时，串扰会急剧增加 —— 某 PCB 批量厂家的测试显示，0.3mm 孔径按 0.8mm 间距排列时，串扰比 1.5mm 间距高 12dB，完全超出可接受范围。

接地过孔的孔径影响隔离效果。0.2mm 接地过孔比 0.3mm 孔径的分布电容高 40%，能更有效地吸收泄漏的电磁能量，增强对相邻信号的隔离。某 PCB 批量厂家在高速差分对之间布置 0.2mm 接地过孔(间距 0.5mm)，使串扰降低 15dB，远优于 0.3mm 接地过孔的效果。

高频孔径优化方案

针对不同速率的高频信号，PCB 批量厂家总结出精准的孔径选择方案：

5-10GHz 信号：推荐 0.2-0.25mm 孔径，焊盘直径 0.4-0.5mm，Stub 长度<0.5mm，配合 1 盎司铜箔和低损耗基材，可将反射损耗控制在 - 20dB 以下，插入损耗<1.5dB/cm。某 PCB 批量厂家为 5G 基站设计的该方案，使 6GHz 信号的眼图张开度提升 30%。

10-28GHz 信号：必须采用 0.15-0.2mm 激光钻孔，焊盘直径 0.3-0.4mm，强制背钻去除 Stub，铜箔厚度减至 1/2 盎司以减少导体损耗。测试显示，这种方案能满足 28GHz 信号的误码率要求(<1e-12)。

28GHz 以上信号：孔径≤0.15mm，采用镀银工艺降低孔壁电阻，过孔间距≥3mm 避免串扰，同时在过孔周围设置接地屏蔽环(0.3mm 宽，间隔 0.2mm)。某雷达 PCB 批量厂家的方案使 77GHz 信号的传输损耗降低 3dB，满足远距离探测需求。

批量生产提示：激光钻孔的 0.15mm 孔径良率对设备精度要求极高，PCB 批量厂家建议订单量≥5000 块时采用，小批量可放宽至 0.2mm 孔径，平衡成本与性能。

1、阻抗不连续性

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点。

一般过孔等效阻抗比传输线低约12%，会导致信号在通过过孔时阻抗减小，例如50欧姆传输线阻抗可能减小6欧姆。

阻抗不连续会造成轻微的信号反射，但其反射系数较小，通常为0.06左右。

2、寄生电容和电感

过孔的存在会增加额外的寄生电容和电感。

寄生电容随着过孔尺寸的减小而减小，有利于高速电路的应用。

过孔产生的寄生效应可能对信号传输质量造成影响，特别是在高频信号传输时更为明显。

3、成本与技术限制

过孔尺寸的减小会增加钻孔成本，并受到钻孔和电镀等工艺技术的限制。

孔尺寸和深度的限制可能影响过孔的设计和布局，进而影响信号传输路径的优化。

4、微孔技术的应用

微孔技术允许过孔直接打在焊盘上，提高电路性能并节约了不限空间。

微孔的使用可减小寄生电容，有利于高速信号传输，但同时需要考虑工艺实现的可行性和成本。