關于PCB過孔設計的這些知識，你都掌握了嗎？

電子設計聯盟 · 發(fā)表于 2024-11-28 07:30:00

在現代電子設備中，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。隨著電子設備的日益復雜，PCB的設計也變得更加精細和復雜。而在PCB的設計中，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。合理設計過孔，不僅能夠提升PCB的電氣性能，還能夠降低生產成本，避免潛在的制造和使用問題。本文將詳細講解PCB過孔的種類、功能以及設計中的注意事項。
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電通道。通常為多層結構，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需求的特定規(guī)格基材。

然后，用數控鉆孔機在覆銅板上預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。
所以，在設計PCB時，過孔不能設計成任意大小。
二、PCB過孔的種類根據結構和位置的不同，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，盲孔在多層板設計中非常實用，特別是在高密度互連（HDI）設計中可以節(jié)省空間。不過，由于盲孔的鉆孔工藝更加復雜，因此相對于通孔成本更高。

3. 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PCB的設計。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。

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。

三、PCB過孔的作用過孔在PCB中主要有以下幾個作用：
1. 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，保證設備的長期穩(wěn)定運行。

關于過孔的承載電流值，這里有一個經驗值供大家參考。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關系:
過孔孔徑電流推薦值(A)10mil112mil1.216mil1.420mil1.524mil1.640mil2.380mil3.6這些數值僅為粗略估算，實際設計中還應考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。
四、PCB過孔的設計考量在實際設計中，過孔的設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，但占據空間更多。較小的過孔則適用于高密度設計，但會增加制造難度和成本。
關于小孔
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。
因此，在PCB設計時，盡量將過孔尺寸設計為大于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。
外徑尺寸的問題。在設計導通孔或焊接孔時，需要考慮內徑和外徑的尺寸要求。這些參數直接影響PCB的制造工藝。

合理設計焊環(huán)尺寸并考慮制造公差，對于保證PCB的質量和可靠性至關重要，一般設計的時候，過孔焊盤與孔徑的可設計為2n+2，也就是過孔直徑為10mil，焊盤可設計為22mil,這個不固定，大家根據常規(guī)經驗設計即可。
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致信號反射、阻抗失配，進而導致信號失真。因此，在高速設計中，設計者需要優(yōu)化過孔的數量、位置和尺寸，以減少這些負面影響。
3. 層疊結構的選擇在多層PCB設計中，過孔的層疊結構也需要特別考慮。設計者應當盡量將盲孔和埋孔的使用控制在必要的范圍內，避免過度使用導致生產復雜化和成本上升。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計，過孔的散熱功能非常重要。通過合理的過孔布局和數量，可以有效地將熱量導出電路板，延長設備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設計中，散熱過孔的優(yōu)化設計至關重要。
5. 制造工藝限制不同的過孔設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備和鍍銅工藝。設計者需要考慮到制造商的設備能力，避免設計過于復雜的過孔結構，以免增加生產難度和成本。

五、過孔設計中的常見問題在實際設計和生產中，過孔的設計可能會遇到以下問題：
1. 過孔堵塞在PCB制造過程中，如果過孔中的雜質沒有清理干凈，可能會導致電鍍不均勻，進而影響過孔的導電性。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。
2. 信號反射高速信號在經過過孔時，如果設計不當，可能會產生信號反射。為了避免這種情況，設計師可以通過調整過孔的數量、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材料的熱膨脹系數不同于銅的膨脹系數，可能導致過孔附近的銅箔斷裂。為了避免這種情況，設計師可以選擇熱膨脹系數更匹配的材料或通過多層結構分散熱應力。
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。
過孔一般是起到兩面導通的作用，加工過程常規(guī)是選擇蓋油處理。
元件孔（Pad）通常是設計成插件孔，在插件焊接時使用。
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）當做過孔使用，那么軟件自動關閉過孔開窗時，無法有效識別，會導致需要蓋油的過孔無法蓋油。

結論PCB過孔設計是一門涉及電氣、機械和材料科學的綜合性學科。在實際設計中，設計師需要根據具體的應用場景，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。隨著技術的不斷進步，過孔設計的復雜性將不斷增加，只有通過持續(xù)的學習和優(yōu)化，才能設計出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。

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