PCB过孔的孔径大小对通流的影响

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对于很多新入行的人来说,不清楚PCB的线宽应该设置为多少,这里作一下解释。

对于PCB布线线宽的设置,主要要考虑两个问题:

一是流过的电流大小。比如对于电源线来说,需要考虑电路工作时流过的电流,如果流过的电流大,则走线不能太细。

二是要考虑板厂的实际制板能力。如果所需要的电流很小(如信号线),那就可以走的细一些。有时候PCB面积小,器件多,就想走线尽量细,但是如果过细可能PCB板厂就制作不出来了,或者能做不出但不良率上升。这个可以向PCB板厂确认。就我所知,线宽0.2mm,线间距0.2mm,一般的板厂都是可以做的。线宽0.127mm就不是都能做了,业界的最小线宽标准应该是0.1mm。后续随着技术的发展可能会更细。

至于过孔的大小,也可以直接向板厂确认,毕竟就算你用小孔径的过孔设计出来PCB,但是板厂做不了,或者能做但是成本高昂也不行。就我所知外径0.5mm,内径0.3mm基本所有板厂都是可以做的。

在PCB中过孔放多了对电路有影响吗?

从设计的角度来看,一个过孔主要由两个部分组成,一是中间的钻孔(drill hole),二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然,在高速,高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这样板上可以留有更多的布线空间,此外,过孔越小,其自身的寄生电容也越小,更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加,而且过孔的尺寸不可能无限制的减小,它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制:孔越小,钻孔需花费的时间越长,也越容易偏离中心位置;且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时,就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如,如果一块正常的6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil.

那么,一般条件下PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。随着激光钻孔技术的发展,钻孔的尺寸也可以越来越小,一般直径小于等于6Mils的过孔,我们就称为微孔。在HDI(高密度互连结构)设计中经常使用到微孔,微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上(Via-in-pad),这大大提高了电路性能,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,会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右,比如50欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆(具体和过孔的尺寸,板厚也有关,不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的,其反射系数仅为:(44-50)/(44+50)=0.06,过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。

重要线路上还是将过孔的数量减到最少为最佳。

PCB过孔的孔径大小对通流的影响

我们先用Saturn的工具来算一下过孔的载流,还是采用IPC2152修正后的规范。

镀铜厚度IPC2级或者IPC3级标准一般为0.8mil到1mil,我本来的计划是使用较小的0.8mil。上周五周六的高速先生培训,有朋友提出极限情况下,过孔孔壁的镀铜厚度可能上下宽,中间窄,所以最窄的地方极限可能是0.7mil。

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虽然我觉得一个好的板厂,还是能满足至少0.8mil的孔壁镀铜厚度。不过在这篇文章,我还是决定采纳那位朋友的意见,按照The Worst Case为0.7mil的孔壁镀铜厚度来进行评估。

焊盘

焊盘

对上面表格,我的一些分析:

1、12mil的孔径可以安全承载1.2A左右电流,比行业里普遍认可的0.5A要宽松;

2、更大的16mil、20mil甚至24mil的孔径,在载流上优势并不明显,也就是很多人回答说并不是线性增加。

所以我个人会比较推荐使用10~12mil的孔径来承载电流,效率更高,也更方便设计。那么,是不是知道这个过孔载流数据,然后就可以安全的进行设计了呢?我们来看看一些仿真的案例:

焊盘

20A电流,打了20个12mil过孔,按照每个孔承载1.2A来计算,感觉非常安全。但是实际上电流并没有你想象的听话,并不是在20个过孔里面平均分配的。简单的DC仿真,就可以看到过孔电流的情况。有些过孔走了2.4A的电流,有些才200mA。当然,这个设计可能最终并不会有太大风险。因为12mil的过孔在温升30度的时候是可以承载2A以上电流的。但是,如果不均匀性进一步放大呢?这个是和你电流的通道,过孔的分布、数量都有关系的,万一某个过孔走了3A甚至4A的电流呢?并且这时候你打25个或者30个过孔,只要没有在电流的关键位置,提供的帮助并不会很大。原因就还是那句话:电流没有你想象的听话。

这个结论在确定铜皮宽度时也是成立的。我们从很多的仿真结果都能发现,当大电流设计在一层铜皮不够用的情况下,多增加一层来走电流,电流也并不会平均分配。

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