高速电路设计与仿真之过孔篇

过孔主要有三类：盲孔（Blind Via）、埋孔（Buried Via）、通孔（Through Via） 盲孔位于PCB表层，具有一定深度，用于表层线路与内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率（孔径）； 埋孔位于PCB内层，不会延伸到PCB表层； 通孔是最常用的，工艺上易于实现，成本较低，可用于实现内部互联或作为元件的安装定位孔。

过孔主要由两部分组成：钻孔+焊盘

高速设计中，大家总是希望过孔越小越好，不仅可以留有更多的布线空间，同时过孔越小，其自身的寄生电容也越小。但实际上过孔的大小受工艺限制，当孔的深度超过孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。一般直径不大于6mil的过孔，就称为微孔，在HDI（高密度互联结构）设计中经常使用，微孔技术可以允许过孔直接打到焊盘上，这就大大提供了电路性能，节约了布线空间。

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低约12%（具体和过孔的尺寸、板厚也有关），但过孔因阻抗不连续而造成的反射其实微乎其微，反射系数约为0.06(如50Ω传输线经过过孔阻抗减小6Ω，反射系数=（50-44）/（50+44）)，过孔产生的问题更多的是集中在寄生电容和电感的影响。

过孔的寄生电容和电感： 过孔本身存在着寄生杂散电容，如果已知过孔在铺地层上的阻焊层直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB厚度为T，板材介电常数为e，则过孔的寄生电容为： C=1.41eTD1/（D2-D1） 过孔的寄生电容造成的主要影响就是延长了信号上升时间，降低电路速度。 假如一块板厚为50mil的PCB，若果使用的过孔焊盘直径为20mil（钻孔直径为10mil），阻焊区直径为40mil，则寄生电容为： C=1.414.40.050.02/（0.04-0.02）=0.31pF; 这部分电容引起的上升时间为： T=2.2C（Zo/2）=2.20.31*(50/2)=17.05ps 从上述例子可以看出，如果布线中多次使用过孔进行换层，那么在高速设计中的影响将是巨大的。

备注：实际设计中可以通过增大过孔和覆铜区的距离（Anti-pad）或者减小焊盘的直径来减小寄生电容！

此外在高速设计中，过孔中存在的寄生电感带来的危害要远大于寄生电容。寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，减弱整个电源系统的滤波效果。可通过以下公式简单计算一下寄生电感： L为寄生电感，h为过孔长度，d为中心钻孔直径。 从公式可以看出，过孔直径对电感影响较小，影响最大的是过孔长度。 同样沿用上面的例子，计算过孔的电感为： 如果信号的上升时间为1ns，那么等效阻抗大小为： 这样的阻抗在高速设计中已经是不可忽略的了。