關(guān)于PCB過孔設(shè)計(jì)的這些知識(shí)，你都掌握了嗎？

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(hào)連接在一起。隨著電子設(shè)備的日益復(fù)雜，PCB的設(shè)計(jì)也變得更加精細(xì)和復(fù)雜。而在PCB的設(shè)計(jì)中，過孔（via）是不可或缺的元素，它在不同層之間傳輸信號(hào)和電源。合理設(shè)計(jì)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(jì)中的注意事項(xiàng)。

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(lái)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(dá)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(dòng)開料機(jī)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(jī)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(wú)法鉆出方形的孔。

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

像嘉立創(chuàng)，加工PCB采用機(jī)械鉆孔，其鉆咀規(guī)格以0.05mm為單位。

查了下嘉立創(chuàng)官網(wǎng)工藝參數(shù)，圓孔鉆刀的規(guī)格為0.15mm-6.30mm。如果是槽孔，最小鉆刀規(guī)格為0.65mm，這適合用來(lái)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(shè)計(jì)PCB時(shí)，過孔不能設(shè)計(jì)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(jì)中最常見的一種過孔類型，它貫穿了整個(gè)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(hào)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(duì)簡(jiǎn)單。

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(gè)PCB。因此，盲孔在多層板設(shè)計(jì)中非常實(shí)用，特別是在高密度互連（HDI）設(shè)計(jì)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(duì)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(nèi)部層，外部看不到。它通常用于中間層信號(hào)的連接，主要用于高密度和高層數(shù)PCB的設(shè)計(jì)。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(hào)傳輸速度。微孔往往通過激光鉆孔工藝完成，成本相對(duì)較高。

三、PCB過孔的作用

過孔在PCB中主要有以下幾個(gè)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(hào)通過過孔進(jìn)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(jì)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(lái)，從而使得整個(gè)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)于過孔的承載電流值，這里有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(duì)應(yīng)關(guān)系:

這些數(shù)值僅為粗略估算，實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。

四、PCB過孔的設(shè)計(jì)考量

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，過孔的設(shè)計(jì)需要考慮到多個(gè)因素，包括機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能以及制造工藝等。以下是一些主要的設(shè)計(jì)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(hào)類型、電流強(qiáng)度等因素來(lái)確定。較大的過孔有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)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(jì)，但會(huì)增加制造難度和成本。

關(guān)于小孔

多大的孔稱為小孔？從PCB制造角度來(lái)說(shuō)，0.3mm為分界點(diǎn)，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(shí)。

因此，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，盡量將過孔尺寸設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)導(dǎo)通孔或焊接孔時(shí)，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。以嘉立創(chuàng)為例，雙面板和多層板最小加工參數(shù)的內(nèi)徑為0.15mm，外徑為0.25mm。

嘉立創(chuàng)如今可以生產(chǎn)6-32層的高多層板。憑借自研的超高層工藝、盤中孔工藝等技術(shù)，嘉立創(chuàng)生產(chǎn)的PCB最高層數(shù)可達(dá)32層，最小孔徑達(dá)0.15mm，最小線寬線距可達(dá)0.0762mm，并支持?jǐn)?shù)百種層壓結(jié)構(gòu)。尤其是盤中孔工藝，6層以上高多層板全部免費(fèi)采用樹脂塞孔+電鍍蓋帽工藝，使過孔可以直接打在焊盤上，且成品焊盤表面更平整，布線空間更大。

嘉立創(chuàng)客戶曬單

合理設(shè)計(jì)焊環(huán)尺寸并考慮制造公差，對(duì)于保證PCB的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，一般設(shè)計(jì)的時(shí)候，過孔焊盤與孔徑的可設(shè)計(jì)為2n+2，也就是過孔直徑為10mil，焊盤可設(shè)計(jì)為22mil,這個(gè)不固定，大家根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)即可。

順便在這里提一下，最近看到嘉立創(chuàng)又“升級(jí)”了，打板費(fèi)用再次大幅度降價(jià)。

6層板，2u"沉金，盤中孔，也走進(jìn)尋常百姓家了，老宇哥感覺以后做項(xiàng)目的時(shí)候，PCB這塊兒成本控制起來(lái)是沒問題了，10*10cm只要200元，簡(jiǎn)直了！沒打過的小伙伴真心推薦去體驗(yàn)。

2. 信號(hào)完整性

在高速電路中，過孔會(huì)影響信號(hào)的完整性。過孔的寄生電感和寄生電容可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、阻抗失配，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，在高速設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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(jì)中，過孔的層疊結(jié)構(gòu)也需要特別考慮。設(shè)計(jì)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(shí)，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(duì)于高功率的電路設(shè)計(jì)，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(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設(shè)計(jì)中，散熱過孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

5. 制造工藝限制

不同的過孔設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)者需要考慮到制造商的設(shè)備能力，避免設(shè)計(jì)過于復(fù)雜的過孔結(jié)構(gòu)，以免增加生產(chǎn)難度和成本。

五、過孔設(shè)計(jì)中的常見問題

在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，過孔的設(shè)計(jì)可能會(huì)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(zhì)沒有清理干凈，可能會(huì)導(dǎo)致電鍍不均勻，進(jìn)而影響過孔的導(dǎo)電性。這種情況下，過孔可能會(huì)堵塞或電氣性能不佳，影響整個(gè)電路的正常工作。

2. 信號(hào)反射

高速信號(hào)在經(jīng)過過孔時(shí)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)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(lái)減少信號(hào)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(jì)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。

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(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(jì)成插件孔，在插件焊接時(shí)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(dāng)做元件孔。選擇過孔蓋油時(shí)，插件孔會(huì)被油墨蓋住或者堵住，且大小無(wú)法達(dá)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(dòng)關(guān)閉過孔開窗時(shí)，無(wú)法有效識(shí)別，會(huì)導(dǎo)致需要蓋油的過孔無(wú)法蓋油。

結(jié)論

PCB過孔設(shè)計(jì)是一門涉及電氣、機(jī)械和材料科學(xué)的綜合性學(xué)科。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇過孔類型和尺寸，同時(shí)兼顧信號(hào)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(jìn)步，過孔設(shè)計(jì)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(jì)出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。