过孔——我对PCB设计的认知提升过程【5】

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我对PCB设计的认知提升过程【2】硬件工程师要不要自己画PCB

我对PCB设计的认知提升过程【3】PCB走线应该走多长？

我对PCB设计的认知提升过程【4】PCB走线应该走多宽？

我对PCB设计的认知提升过程【5】PCB的内电层

1、什么是过孔

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（PCB走线），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PCB设计中，根据产品需求，板子的层数往往是不同的。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。

在上表面层TOP层的走线，如何与底部层Bottom层的进行连接呢？就是利用过孔：在PCB上打个洞，然后在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。

2、过孔为什么要盖绿油

在电子制造过程中，通过PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）上的孔洞（过孔）将电气连接从一侧传递到另一侧。为了确保这些过孔的可靠性和保护它们免受外界环境的影响，通常会使用一层绿色涂料来盖住过孔，这种绿色涂料被称为绿油。

以下是盖绿油的几个主要原因：

保护：绿油可以提供物理保护层，防止过孔受到机械应力、环境湿度、灰尘或化学物质等的侵害。这可以防止过孔内部发生腐蚀、氧化或短路等问题。

绝缘：绿油是一种绝缘材料，它可以在过孔之间形成绝缘层，防止电气短路。这对于多层PCB尤为重要，因为它们有许多通过层与层之间的过孔连接。所谓绿油就是阻焊层。

焊接控制：在组装和焊接过程中，绿油可以控制焊膏（焊接流动剂）的流动，防止其进入过孔内部。这有助于确保焊接的准确性和质量，并避免过度焊接或不足焊接的问题。

绿油这里是一种俗称，就是指阻焊层。阻焊层也可以是其他颜色：蓝色、黄色、红色、黑色、白色。绿色被使用最多，所以我们一般称为绿油。

阻焊盘就是soldermask，是指板子上要上绿油的部分。实际上这阻焊层使用的是负片输出，所以在阻焊层的形状映射到板子上以后，并不是上了绿油阻焊，反而是露出了铜皮。通常为了增大铜皮的厚度，采用阻焊层上划线去绿油，然后加锡达到增加铜线厚度的效果。

阻焊层在控制回流焊接中的焊接缺陷中很重要，PCB设计者应该尽量减小焊盘周围的间隔或空气间隙。

虽然许多工艺工程师宁可阻焊层分开板上所有焊盘特征，但是密间距元件的引脚间隔与焊盘尺寸将要求特殊的考虑。虽然在四边的qfp上不分区的阻焊层开口或窗口可能是可接受的，但是控制元件引脚之间的锡桥可能更加困难。对于bga的阻焊层，许多公司提供一种阻焊层，它不接触焊盘，但是覆盖焊盘之间的任何特征，以防止锡桥。多数表面贴装的PCB以阻焊层覆盖，但是阻焊层的涂敷，如果厚度大于0.04mm，可能影响锡膏的应用。表面贴装PCB，特别是那些使用密间距元件的，都要求一种低矮的感光阻焊层。

阻焊材料必须通过液体湿工艺或者干薄膜叠层来使用。干薄膜阻焊材料是以0.07－0.1mm厚度供应的，可适合于一些表面贴装产品，但是这种材料不推荐用于密间距应用。很少公司提供薄到可以满足密间距标准的干薄膜，但是有几家公司可以提供液体感光阻焊材料。通常，阻焊的开口应该比焊盘大0.15mm。这允许在焊盘所边上有0.07mm的间隙。低轮廓的液体感光阻焊材料是经济的，通常指定用于表面贴装应用，提供精确的特征尺寸和间隙。

过孔不盖绿油的实例（不推荐），如下：

不论是手工焊或者是波峰焊，过孔盖绿油都是有益的。

有些测试的时候，需要在过孔上测试。我们在测试的时候再把过孔上的阻焊层去掉，也就是把绿油去掉，进行测试。

3、埋盲孔

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。

盲孔：即贯穿于顶层与底层，具有一定的深度。用于表层线路和下面的内层线路的连接。

埋孔：位于线路板内层的连接孔，其不会延伸到线路板的表面。

通孔：这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或者元件的安装定位孔。

4、塞孔

为了达到客户要求，有些导通孔必须塞孔，经过大量的实践，改变传统的铝片塞孔工艺，用白网完成板面阻焊与塞孔。

Viahole导通孔起线路互相连结导通的作用，电子行业的发展，同时也促进PCB的发展，也对印制板制作工艺和表面贴装技术提出更高要求。Viahole塞孔工艺应运而生，同时应满足下列要求：

（一）导通孔内有铜即可，阻焊可塞可不塞；

（二）导通孔内必须有锡铅，有一定的厚度要求（4微米），不得有阻焊油墨入孔，造成孔内藏锡珠；

（三）导通孔必须有阻焊油墨塞孔，不透光，不得有锡圈，锡珠以及平整等要求。

随着电子产品向“轻、薄、短、小”方向发展，PCB也向高密度、高难度发展，因此出现大量SMT、BGA的PCB，而客户在贴装元器件时要求塞孔，主要有五个作用：

（一）防止PCB过波峰焊时锡从导通孔贯穿元件面造成短路；特别是我们把过孔放在焊盘上，尤其BGA焊盘上时，就必须先做塞孔，再镀金处理，便于BGA的焊接。

（二）避免助焊剂残留在导通孔内；

（三）电子厂表面贴装以及元件装配完成后PCB在测试机上要吸真空形成负压才完成：

（四）防止表面锡膏流入孔内造成虚焊，影响贴装；

（五）防止过波峰焊时锡珠弹出，造成短路。

5、过孔影响SI

过孔本身存在着对地的寄生电容，同时也存在着寄生电感，往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，其会造成信号的反射。过孔的等效阻抗一般比传输线低12%左右。即50R的传输线在经过阻抗时会减少6R。但因产生的阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的。反射系数：（44-50）/(50+44)=0.06。

相比于因其产生的阻抗不连续问题，过孔产生的更多影响主要体现在寄生电容与寄生电感上。

设计前确定过孔的层叠结构；然后确定过孔的结构以及各项参数，如过孔的钻孔大小等等；

确定是否存在Stub或者需要背钻；

确定是否有回流地孔以及回流地孔的数量和位置；确定连接过孔的传输线结构或者同轴结构；确定过孔仿真的扫描的频率范围、扫描的参数变量等等；建模仿真并分析仿真结果；输出仿真结果或者导出EM模型到ADS原理图中或者输出3D结构到3D电磁场仿真软件EMPro中。

6、过孔帮助散热

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。

7、过孔太多小心把内电层的电源平面打碎

过孔过于密集，要检查电源通流的有效宽度。

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