關(guān)于PCB過孔設(shè)計的這些知識，你都掌握了嗎？

電子設(shè)計聯(lián)盟

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，印刷電路板（PCB）是核心組成部分，它承載著各種電子元器件并將它們通過電氣信號連接在一起。隨著電子設(shè)備的日益復(fù)雜，PCB的設(shè)計也變得更加精細(xì)和復(fù)雜。而在PCB的設(shè)計中，過孔（via）是不可或缺的元素，它在不同層之間傳輸信號和電源。合理設(shè)計過孔，不僅能夠提升PCB的電氣性能，還能夠降低生產(chǎn)成本，避免潛在的制造和使用問題。本文將詳細(xì)講解PCB過孔的種類、功能以及設(shè)計中的注意事項。
一、什么是PCB過孔？PCB過孔是用于將不同層的銅箔線路連接起來的導(dǎo)電通道。通常為多層結(jié)構(gòu)，常見的如雙層板、四層板，甚至可以達到幾十層。在這些層之間，過孔起到導(dǎo)電橋梁的作用。它是通過在電路板上鉆孔，再在孔壁上鍍銅而形成的導(dǎo)電通道。過孔的形狀可以是圓形、橢圓形等，但最常見的是圓形。

在PCB制造過程中，先開料，即利用自動開料機將大尺寸的覆銅板切割成符合生產(chǎn)需求的特定規(guī)格基材。

然后，用數(shù)控鉆孔機在覆銅板上預(yù)定的位置精確鉆出孔。由于鉆頭是圓形的，所以無法鉆出方形的孔。

打個比方，把一個圓形乒乓球放在直角墻角，球體圓弧與直角會存在一定的間距，稱作“R角”。

如果是槽孔，最小鉆刀規(guī)格為0.65mm，這適合用來加工金屬化槽孔；最小槽孔鑼刀為1.0mm，適用于加工非金屬化鑼槽。
* @) D4 w/ i7 v. T8 Z% ^6 ~所以，在設(shè)計PCB時，過孔不能設(shè)計成任意大小。
二、PCB過孔的種類根據(jù)結(jié)構(gòu)和位置的不同，過孔可以分為以下幾種：
1. 通孔（Through-hole Via）通孔是pcb設(shè)計中最常見的一種過孔類型，它貫穿了整個PCB的厚度，從最上層的銅箔一直延伸到最底層的銅箔。通孔不僅用于信號層間的連接，也常常用于電源層和接地層的連接。由于它貫穿所有層，因此制造成本較低，且工藝相對簡單。
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2. 盲孔（Blind Via）盲孔是一種只連接PCB表面層和中間某一層的過孔，它并不貫穿整個PCB。因此，盲孔在多層板設(shè)計中非常實用，特別是在高密度互連（HDI）設(shè)計中可以節(jié)省空間。不過，由于盲孔的鉆孔工藝更加復(fù)雜，因此相對于通孔成本更高。
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, P- b2 T1 u, M+ d9 b. x  v3. 埋孔（Buried Via）埋孔與盲孔相似，但不同之處在于埋孔完全位于PCB的內(nèi)部層，外部看不到。它通常用于中間層信號的連接，主要用于高密度和高層數(shù)PCB的設(shè)計。由于埋孔的制造過程要求更高的精度，因此它的成本也高于通孔。

, R; A3 c7 r  ~4.微孔（Micro Via）微孔是一種孔徑非常小的過孔，直徑通常小于0.15毫米。它多用于高密度板（HDI）中，用于減小PCB面積和提升信號傳輸速度。微孔往往通過激光鉆孔工藝完成，成本相對較高。
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三、PCB過孔的作用過孔在PCB中主要有以下幾個作用：
* k0 n9 ]1 T. \; W: o" B: X9 q5 d1. 電氣連接過孔最核心的功能就是電氣連接，它將不同層的信號通過過孔進行傳遞，確保電子元件之間的電氣連接。特別是在多層PCB中，過孔是不同層之間的“電氣橋梁”。

2. 電源和接地層的連接在多層PCB設(shè)計中，通常有專門的電源層和接地層。通過過孔，可以將電源和接地層之間連接起來，從而使得整個電路的電源供應(yīng)更加穩(wěn)定，減小了電源噪聲和干擾。
3. 散熱功能在某些功率較高的電路中，過孔還可以起到散熱的作用。通過將熱量從PCB的元器件層傳導(dǎo)到散熱層或外部散熱器，過孔能夠有效地幫助降低PCB的整體溫度，保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運行。

關(guān)于過孔的承載電流值，這里有一個經(jīng)驗值供大家參考。在25℃的環(huán)境下，允許溫升10℃，不同過孔與推薦最大電流的對應(yīng)關(guān)系:
- G$ P/ g9 [8 t# D7 x過孔孔徑電流推薦值(A)10mil112mil1.216mil1.420mil1.524mil1.640mil2.380mil3.6這些數(shù)值僅為粗略估算，實際設(shè)計中還應(yīng)考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。
- p% L" S, e/ J3 x四、PCB過孔的設(shè)計考量在實際設(shè)計中，過孔的設(shè)計需要考慮到多個因素，包括機械強度、電氣性能以及制造工藝等。以下是一些主要的設(shè)計考量。
1. 過孔的尺寸選擇過孔的直徑和焊盤尺寸需要根據(jù)信號類型、電流強度等因素來確定。較大的過孔有更強的機械強度和電流承載能力，但占據(jù)空間更多。較小的過孔則適用于高密度設(shè)計，但會增加制造難度和成本。
6 w1 G* I# r6 p; a關(guān)于小孔
多大的孔稱為小孔？從PCB制造角度來說，0.3mm為分界點，小于0.3mm的孔被稱為小孔。
過孔越小，越難加工，尤其是過孔大小接近工藝極限時。
" N/ p7 ~4 S2 q1 c" K因此，在PCB設(shè)計時，盡量將過孔尺寸設(shè)計為大于0.3mm，以確保加工效率和降低成本。只有在空間受限的情況下，才考慮使用小孔。
, `8 z' x) j7 c% i外徑尺寸的問題。在設(shè)計導(dǎo)通孔或焊接孔時，需要考慮內(nèi)徑和外徑的尺寸要求。這些參數(shù)直接影響PCB的制造工藝。

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8 |1 p- }; s# P/ i# J/ \& s合理設(shè)計焊環(huán)尺寸并考慮制造公差，對于保證PCB的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，一般設(shè)計的時候，過孔焊盤與孔徑的可設(shè)計為2n+2，也就是過孔直徑為10mil，焊盤可設(shè)計為22mil,這個不固定，大家根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗設(shè)計即可。
2. 信號完整性在高速電路中，過孔會影響信號的完整性。過孔的寄生電感和寄生電容可能會導(dǎo)致信號反射、阻抗失配，進而導(dǎo)致信號失真。因此，在高速設(shè)計中，設(shè)計者需要優(yōu)化過孔的數(shù)量、位置和尺寸，以減少這些負(fù)面影響。
3. 層疊結(jié)構(gòu)的選擇在多層PCB設(shè)計中，過孔的層疊結(jié)構(gòu)也需要特別考慮。設(shè)計者應(yīng)當(dāng)盡量將盲孔和埋孔的使用控制在必要的范圍內(nèi)，避免過度使用導(dǎo)致生產(chǎn)復(fù)雜化和成本上升。同時，合理安排電源層和接地層的位置，以確保過孔的電氣性能。
4. 熱量管理對于高功率的電路設(shè)計，過孔的散熱功能非常重要。通過合理的過孔布局和數(shù)量，可以有效地將熱量導(dǎo)出電路板，延長設(shè)備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設(shè)計中，散熱過孔的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。
5 ~* q* [1 q6 K8 ~+ w5. 制造工藝限制不同的過孔設(shè)計對制造工藝有不同的要求。例如，微孔由于孔徑較小，需要更高精度的鉆孔設(shè)備和鍍銅工藝。設(shè)計者需要考慮到制造商的設(shè)備能力，避免設(shè)計過于復(fù)雜的過孔結(jié)構(gòu)，以免增加生產(chǎn)難度和成本。
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五、過孔設(shè)計中的常見問題在實際設(shè)計和生產(chǎn)中，過孔的設(shè)計可能會遇到以下問題：
; A% N: l9 v# o! m/ a% c1. 過孔堵塞在PCB制造過程中，如果過孔中的雜質(zhì)沒有清理干凈，可能會導(dǎo)致電鍍不均勻，進而影響過孔的導(dǎo)電性。這種情況下，過孔可能會堵塞或電氣性能不佳，影響整個電路的正常工作。
' o/ w2 u  p5 [: y$ g/ r) P8 X+ }; y2. 信號反射高速信號在經(jīng)過過孔時，如果設(shè)計不當(dāng)，可能會產(chǎn)生信號反射。為了避免這種情況，設(shè)計師可以通過調(diào)整過孔的數(shù)量、優(yōu)化阻抗匹配等手段來減少信號失真。
3. 熱膨脹問題在高溫工作環(huán)境下，PCB材料的熱膨脹系數(shù)不同于銅的膨脹系數(shù)，可能導(dǎo)致過孔附近的銅箔斷裂。為了避免這種情況，設(shè)計師可以選擇熱膨脹系數(shù)更匹配的材料或通過多層結(jié)構(gòu)分散熱應(yīng)力。
0 f; @1 \& m) M  B. p/ K& W過孔（Via）和元件孔（Pad）有何區(qū)別？在PCB中，孔徑分為過孔（Via）和元件孔（Pad），一定不要混用。
; e; h6 l, `' W4 |4 Z6 T過孔一般是起到兩面導(dǎo)通的作用，加工過程常規(guī)是選擇蓋油處理。
元件孔（Pad）通常是設(shè)計成插件孔，在插件焊接時使用。
5 L- m( Y0 Y6 q5 V7 ?6 Y如果混用過孔（Via）和元件孔（Pad），一種情況是誤將過孔（Via）屬性用于插件封裝中當(dāng)做元件孔。選擇過孔蓋油時，插件孔會被油墨蓋住或者堵住，且大小無法達到有效控制。
另一種情況是誤將元件孔（Pad）當(dāng)做過孔使用，那么軟件自動關(guān)閉過孔開窗時，無法有效識別，會導(dǎo)致需要蓋油的過孔無法蓋油。

結(jié)論PCB過孔設(shè)計是一門涉及電氣、機械和材料科學(xué)的綜合性學(xué)科。在實際設(shè)計中，設(shè)計師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景，合理選擇過孔類型和尺寸，同時兼顧信號完整性、散熱、制造工藝等多方面的因素。隨著技術(shù)的不斷進步，過孔設(shè)計的復(fù)雜性將不斷增加，只有通過持續(xù)的學(xué)習(xí)和優(yōu)化，才能設(shè)計出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。

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