高速PCB中的过孔设计

通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,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,在设计中可以尽量做到:

1.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔。受限于技术条件,很难使用更小尺寸的过孔了。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。

2.上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3.PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

4.电源和地的管脚要就近打过孔,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。

5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。

当然,在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况。

过孔造价信息

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同样,过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

L=5.08h[ln(4h/d) 1]

其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH 。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:

C=K*ε0*3.14*TD1/(D2-D1)(ε0为真空介电常数,K为PCB相对(真空ε0)介电系数)

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度。举例来说,对于一块厚度为50Mil的PCB板,如果使用内径为10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:C=K*ε0*3.14*0.050x0.020/(0.032-0.020),这部分电容会引起的上升时间的变化。尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,设计者还是要慎重考虑的。

过孔相关信息常见问题

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过孔,在线路板中,一条线路从板的一面跳到另一面,连接两条连线的孔也叫过孔(区别于焊盘,边上没有助焊层。)

过孔也称金属化孔,在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔。在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状,过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。

过孔不仅可以是通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。

过孔相关信息文献

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主持人:我先来简单介绍一下两位老生, 宋卫东老师是天津大学博士、 副教授,公开发表论 文 10余篇,出版著作 2部,多年从事工程实物类课程讲述,多次从事一级、二级注册建造 师、注册建筑师的考前培训辅导工作。宋卫东老师授课思路清晰、 重点突出,深受学员的好 评。曹明铭老师是天津大学博士,多年从事结构工程师、 建筑师等的教学和研究工作, 具有 非常丰富的教学经验,科研成果显著。公开发表论文 10 余篇,曹老师讲课轻松自如,也深 受学员的好评。 两位老师,现在能不能先给我们谈一下建筑师的考试意义还有它的发展前景。 宋卫东:好的,那我简单先说一下。我们说注册建筑师的考试,大家都知道,它是分一 级和二级,一级注册建筑师它是由国家来管理, 二级注册建筑师是由地方来管理, 这样的话, 我们说在建筑师考试里面,像一级注册建筑师一共考 9 科,然后它的单科滚动周期为 8 年, 原先是 5 年,后来调整到了

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过孔滑环,也叫空心轴滑环,什么是过孔滑环? 滑环的结构有很多种,根据结构,使用领域,传输介质等都有不同的分类法,过孔式滑环主要从结构上来划分的,也叫空心轴滑环。

QFN封装过孔设计

QFN封装具有优异的热性能,主要是因为封装底部有大面积散热焊盘,为了能有效地将热量从芯片传导到PCB上,PCB底部必须设计与之相对应的散热焊盘以及散热过孔,散热焊盘提供了可靠的焊接面积,过孔提供了散热途径。

通常散热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配,然而还需考虑各种其他因素,例如避免和周边焊盘的桥接等,所以热焊盘尺寸需要修订,具体尺寸见表1。散热过孔的数量及尺寸取决于封装的应用情况,芯片功率大小以及电性能的要求。建议散热过孔的间距为1.0mm~1.2mm,过孔尺寸为0.3mm~0.33mm。散热过孔有四种设计形式:如使用干膜阻焊膜从过孔顶部或底部阻焊;或者使用液态感光(LPI)阻焊膜从底部填充;或者采用"贯通孔"。这些方法在图4中有描述,所有这些方法均有利有弊:从顶部阻焊对控制气孔的产生比较好,但PCB顶面的阻焊层会阻碍焊膏印刷;而底部阻碍和底部填充由于气体的外逸会产生大的气孔,覆盖2个热过孔,对热性能方面有不利的影响;贯通孔允许焊料流进过孔,减小了气孔的尺寸,但元件底部焊盘上的焊料会减少。散热过孔设计要根据具体情况而定,建议最好采用阻焊形式。

再流焊曲线和峰值温度对气孔的形成也有很大的影响,经过多次实验发现,在底部填充的热焊盘区域,当峰值回流温度从210℃增加到215℃~220℃时,气孔减少;对于贯通孔,PCB底部的焊料流出随回流温度的降低而减少。

在自然对流散热产品中,PCB上的过孔大小对散热的影响是很大的,但是具体有多大,还不知道,我们就从简单的产品分析开始,以单个芯片的过孔参数为对象,研究过孔参数变化对导热系数的影响:

条件:

4层板 PCB 尺寸100x100x1.6mm

芯片尺寸:40x40x3mm

过孔范围:40x40mm

过孔镀铜厚度:0.025mm

过孔间距:1.2mm

过孔之间填充:空气

针对过孔,主要有以下几个参数对散热有影响:

过孔的直径

过孔的数量

过孔铜箔的厚度

当然手工也可以计算(并联导热):

不过既然有了软件,我们可以利用软件快速的计算出各种组合的变化:

1 过孔的直径影响(其他参数不变)

(为什么是线性呢?想想......)

2 过孔的数量影响(其他参数不变)

(也是线性。。)

3 过孔的铜箔厚度影响(其他参数不变)

(还是线性。。)

结论:

加热过孔的目的就是为了增强Z向导热的能力,让发热面的元件快速冷却,所以,结合以上的数据可以看出,增加孔径,增加镀层厚度,增加过孔数目都是能显著强化Z向的导热的。

需要注意的是孔径的增加会破坏XY向平面的导热效果,不过这种破坏几乎可以忽略不计的。

另外,在过孔里面增加填充材料也能进一步提高Z向的导热效果。

在自然对流情况下,用过孔来进行对流散热带走的热量同样可以忽略不计。

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