最好的解析! 电路板Layout中的PCB过孔设计要点

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。

什么是PCB过孔?

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。

传统通孔：使用位置和方法

自双层电路板实现量产以来，标准的电镀通孔便成为PCB设计中的核心元素。通孔的尺寸可根据需求在电路板上灵活调整，使得走线或铜皮能轻松连接至任何一层电路板。通孔在PCB设计中发挥着多种作用，包括常规布线、逃逸布线以及电源布线等。

在常规布线中，通孔是连接不同电路板层信号走线的关键。逃逸布线则涉及表面贴装元件引脚与过孔的即时连接，以便在多层电路板内部层进行布线。此时，逃逸过孔的布局需精心规划，以确保内层有足够的布线通道。此外，电源布线也是通孔的重要应用之一，大尺寸的电源过孔能应对更高的电流需求。

除了上述常规用途外，通孔还适用于电路板上的特定需求或特殊情况。

散热孔：针对运行温度较高的元件

通孔会嵌入大型中央接地焊盘中，从而通过电路板接地平面实现高效散热。这类过孔对于防止因热量积累导致的电路板其他部件故障至关重要。

缝合孔：此类过孔旨在为电路板不同层上的多条电源走线提供多个连接

以应对大电流电路的传导需求。它们不仅有助于散热，还能降低连接的电感。

屏蔽孔：在敏感电路周围布置多个接地孔时，会产生法拉第笼效应

有效抑制潜在的EMI问题对电路的影响。

接地传输孔：在高速设计中，当信号布线需在层间过渡时

接地传输孔保留了多个接地平面层之间的信号返回路径，确保信号的稳定传输。

盘中孔：此类过孔可置于密集型表面贴装元件(如球栅阵列封装，BGA)的焊盘中

解决间距问题。但制造此类过孔对使用机械钻头的制造商而言可能具有挑战性，微孔技术则提供了一种更优的解决方案。

通孔在电路板设计中的使用需遵循一系列规范。与轴向引线器件的电镀通孔相似，每一层电路板上都必须设置足够大的焊盘，以便使用钻孔机进行操作，同时又要确保不会占用过多空间。此外，电路板的平面层上还需设置标准的隔离焊盘(anti-pad)，其大小应与钻孔直径相匹配。环形是决定电路板可靠性等级的关键因素之一，其厚度在各级电路板中都有明确的要求。

PCB布线3D视图中的通孔与微孔探讨

在PCB设计中，通孔的尺寸选择至关重要，它直接受到钻孔与电路板厚度纵横比的影响。机械钻头的钻孔深度有限，而纵横比则决定了这一深度的极限。通常，电路板制造商期望的纵横比不超过10:1，这意味着在62密耳厚的电路板上，能够可靠钻出的最小尺寸过孔为6密耳。

当在12层电路板的前两层使用通孔来连接高速信号时，可能会面临信号完整性的问题，因为大部分未使用的通孔筒体可能会像天线一样工作。为了解决这一问题，许多制造商会选择对未使用的过孔部分进行背面钻孔。然而，背钻操作会增加制造成本，因此，更优的选择通常是采用微孔或盲孔和埋孔技术来提升电路板的性能。

此外，在某些情况下，可能需要对通孔进行覆盖或填充。过孔盖油是一种常用的方法，它使用阻焊层来覆盖过孔，但并不填充通孔本身。这种技术需要小心操作，以避免在焊接加热时筒体中产生气泡导致气体外泄。通常，会在过孔盖油的中心留一个小孔，以便排出热空气。虽然过孔盖油可以使过孔更接近表面贴装焊盘图案，从而防止焊料流入孔中，但它并不提高过孔的电流容量或散热性能。

另一种填充通孔的方法是使用导电浆料塞孔，其中环氧树脂结合金、银或铜等金属物质被用来填充通孔。这种方法可以有效提高过孔的电流容量和散热性能，但成本相对较高。相比之下，非导电浆料塞孔主要用于保护过孔，无需进行表面处理，但对散热或电流容量无益。这种技术通常使用阻焊层或其他类似材料来实现。

接下来，我们将深入探讨电路板中的盲孔和埋孔设计规则。

盲孔设计

盲孔，其特点在于仅穿透电路板叠层的一部分，起始于外层并深入至内部。尽管其加工成本略高于标准通孔，但盲孔为设计师提供了额外的布线通道，这在通孔因孔筒存在而无法利用下方或上方空间时显得尤为宝贵。然而，需要注意的是，盲孔的制造需要一系列复杂步骤，包括钻孔、电镀和层叠，这在一定程度上增加了其成本。因此，在考虑使用盲孔时，设计师必须权衡其带来的布线灵活性与成本增加之间的关系。

埋孔设计

与盲孔相似，埋孔也是机械钻孔的一种，但其钻孔起点和终点均位于电路板的内部层，而非表面。这种设计特别适用于布线密集的电路板，因为它允许在埋孔的上方和下方设置布线通道，从而提高了布线的效率。然而，和盲孔一样，埋孔的高成本也是设计师必须考虑的因素。通常，只有在显著减少电路板层数或改善电气性能的情况下，才推荐使用埋孔。

除了机械钻孔的盲孔和埋孔外，激光钻孔技术也提供了微孔作为替代方案。这种技术可能在某些情况下提供更佳的成本效益和性能优势。

微孔的物理结构与PCB设计中的微孔应用

微孔，一种直径小于6密耳的孔洞，常采用激光钻孔技术进行制作。由于其尺寸小巧，微孔通常仅贯穿一层电路板，但这一特性却使其在连接外部与内部电路板层方面发挥了重要作用。尽管微孔制造成本相对较高，但其在许多通孔无法适用的场合下却显得尤为适用。

在PCB设计中，微孔需遵循一系列设计规则。首先，由于微孔尺寸较小，孔内电镀成为一大挑战，因此设计师应尽量确保其直径大于深度，以优化电镀效果。其次，焊盘尺寸的选择也至关重要，针对微孔直径较小的特点，设计师可以采用更小的焊盘尺寸，从而为布线通道的预留提供更多灵活性。此外，塞孔和电镀工艺的应用也是必不可少的，它们使得微孔与其他金属元件能够保持齐平，进一步增强了微孔在盘中孔应用中的适用性。

微孔在PCB布局中的应用广泛且不可或缺。在高密度设计中，如处理器和存储器件的布线过程中，微孔发挥着关键作用。它们不仅可用于布线通道的优化，还可与其他类型的过孔结合使用，实现更复杂的电路连接。同时，微孔的堆叠技术也使得电路板的布线效率得到了显著提升。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

可见，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，工程师在设计中可以尽量做到：

选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB 设计来说，选用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区)的过孔较好;对于一些高密度的PCB 也可以使用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则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗;

POWER隔离区越大越好，考虑PCB 上的过孔密度，一般为D1=D2+0.41;

PCB 上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量减少过孔;

使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数;

电源和地的管脚要就近过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗;

在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供短距离回路。