咱們搞硬件的,每當你為了走線爽快,在高速線上隨手打下一串過孔時,過孔內心其實是在狂喜的,“打吧,現在打的有多狠,后面就摔的有多狠!

很多工程師覺得過孔不過是PCB上的一個窟窿,那可錯了!
Layout走線千萬條,過孔參數第一條。參數算錯不打緊,老板面前把淚拋。

高速板對待過孔要慎重,原因正是由過孔存在寄生電容和寄生電感。
在高速電路設計(比如信號上升沿 < 1ns)中,過孔已不再是單純的換層導線,而是一個由寄生電容和寄生電感組成的微型低通濾波器。
寄生電容它是怎么影響信號的?
過孔穿過地平面時,過孔的金屬桶壁與地平面之間會形成類似同軸電容器的結構。在高頻信號眼中,這個微小的電容就是一個并聯在走線上的儲能元件。它會吸走一部分電流來給自己充電,從而拖慢信號的步伐。
那過孔的寄生電容如何計算呢?

εr:介質介電常數(FR-4板材約為4.4)。
T:PCB板厚(inch)。
D1:過孔焊盤直徑 (inch)。
D2:地層反焊盤Anti-pad直徑(inch)。

咱們可以計算一下,比如你在一個1.6mm的板子上,打了一個焊盤 20mil、開窗30mil的孔,代入公式計算電容得C≈0.78pF。
如果你的信號驅動源阻抗Rs=50Ω,這個0.78pF的電容會造成信號上升時間的直接退化:

結論就是如果你的信號是10Gbps 的高速接口,上升沿可能只有50ps,這個過孔會直接讓信號上升時間翻倍,眼圖瞬間變模糊。
說完了寄生電容,咱們再來說說過孔的寄生電感。
寄生電感是怎么影響信號的?
當電流流過細長的過孔金屬柱時,會在周圍激發起磁場環路。根據法拉第電磁感應定律,變化的磁場會產生反向感生電壓,阻礙電流的變化。在電源去耦設計中,過孔電感是導致濾波失效的頭號戰犯。

寄生電感如何計算?

H:過孔長度(inch)。
D:鉆孔直徑(inch)。
怎么評估寄生電感的影響呢?
比如我們可以看它對電源紋波貢獻了多少?例如1.6mm板厚,10mil的鉆孔,代入公式計算電感得L=1.35nH。
在核心電壓僅為1.0V的芯片電源引腳上,如果瞬態電流變化率di/dt為 0.1A /ns:

僅僅一個過孔就產生了135mV的瞬態壓降。對于1.0V的電源,這意味著 13.5% 的紋波,對芯片來說,不是啥好事呀!

過孔實際上是一個L-C網絡,其特征阻抗Zvia可以估算為:

在標準的50Ω傳輸線系統中,這個41.6Ω的過孔就是一個明顯的阻抗下沖點。根據反射系數公式:

大約9.2%的信號能量會在這里被反彈回來。多個過孔的反射疊加,會導致嚴重的碼間串擾和輻射超標。
既然參數避不開,那咋辦?

那咱們就得學會控電容、壓電感,怎么控?怎么壓?
1.信號線控電容:加大反焊盤直徑D2是最省錢的辦法;如果頻率實在太高,直接安排背鉆,切掉那截沒用的Stub殘樁。


如果大家搞的是普通的小家電產品,一般對鉆孔要求不高,但是如果你是在搞手機,5G這種高速高密度控制板,那就會涉及到HDI板,你就需要多多了解鉆孔相關的知識點了,比如盲孔,埋孔。嘉立創的HDI板支持一階、二階、三階及跨層微導孔,所以你有時候看著板子很小,但是密密麻麻的能放下很多器件,原因就是在這。嘉立創的最小激光孔徑目前已經能做到3mil了,3mil什么概念?也就是0.075mm ,0.075mm大約相當于1根普通粗細的頭發絲,就是這么牛!只能說國產雄起了!

2.電源線壓電感:別指望把孔鉆大,多孔并聯才是王道!并聯兩個孔,電感直接減半。
