如何在高速 PCB 设计中充分利用通孔技术 (THT)

目前，高速PCB设计已广泛应用于电信、计算机、图形和图像处理等众多领域，所有高科技增值产品都朝着低功耗、低电磁辐射、高可靠性、小型化和轻量化方向发展。重量。为了达到这些目标，通孔技术（THT）的设计和实现在高速PCB设计中具有极其重要的意义。

通孔技术

通孔是多层PCB设计的重要组成部分之一。通孔由三部分组成：过孔、焊盘和电源平面的隔离区，如下图所示。 THT是通过化学沉积的方式在孔壁上镀上一层金属，使电路板的每个内层或平面的铜箔可以相互连接。通孔的两侧形成普通焊盘的形状，可以直接与顶层和底层的走线连接，也可以保持不连接。通孔起电气连接、固定和定位元件的作用。

就THT而言，通孔一般分为通孔通孔、盲孔和埋孔：
a．通孔通孔贯穿电路板的所有层，适用于内部互连或起到定位孔的作用。由于通孔通孔在技术上可实现且成本低廉，因此被大多数PCB广泛应用。
b．盲孔是指负责将表面走线与下面的内部走线以一定深度连接的孔。通孔深度与通孔直径的比值通常不超过某个值。
c． Buried via是指位于内层的连接过孔，从PCB板的外观上看是看不到的，因为它没有扩展到电路板的表面。

盲孔和埋孔都位于电路板的内层，它们是在层压之前产生的。

THT 中的寄生电容

通孔具有对地的寄生电容。地平面上的隔离通孔直径为D2；通孔焊盘直径为D1； PCB的厚度为T；基板材料的介电常数为ε。则通孔的寄生电容可由公式C=1.41εTD1/(D2-D1)计算得到

寄生电容对电路的主要影响是延长信号的上升时间和降低电路运行速度。因此，寄生电容越低越好。

THT 中的寄生电感

通孔也具有寄生电感。在高速数字电路设计过程中，寄生电感带来的危害通常大于寄生电容。寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，降低整个电源系统的滤波效果。通孔电感为L，通孔长度为h，过孔直径为d时，通孔寄生电感可由公式L=5.08h[In(4h/d)+1]求得

根据该公式，通孔直径很少与电感相关，影响电感的最大因素是通孔长度。

非 THT（包括盲孔和埋孔）

在非 THT 方面，盲孔和埋孔的应用能够显着减小 PCB 尺寸和质量，包括层数，提高电磁兼容性 (EMC) 并最大限度地降低成本。此外，设计任务将变得更加容易。在传统的PCB设计和PCB制造过程中，通孔通常会带来很多问题。首先，它们占据了大部分的有效空间。其次，过高的通孔密度给PCB板的内部走线带来了挑战。

在PCB设计中，虽然焊盘和通孔的尺寸不断减小，但是当板厚不成比例地下降时，纵横比会上升，当纵横比增大时，可靠性会降低。随着激光钻孔技术和等离子干法刻蚀技术的成熟，非THT小盲孔和埋孔成为另一种可能。当这些孔的直径为0.3mm时，寄生参数将是传统过孔的十分之一，PCB可靠性提高。

使用非THT，PCB板上的大通孔数量会减少，因此可以留出更多空间进行跟踪。休息空间可用作大面积屏蔽，以提高 EMI/RFI 性能。此外，更多的休息空间还可以用作内部组件和关键网络电缆的部分屏蔽，使其具有最佳的电气性能。非THT过孔的应用使元件管脚更容易穿透，从而更容易追踪BGA（球栅阵列）元件等高密度管脚元件。

普通 PCB 中的 THT 设计

在普通 PCB 设计阶段，寄生电容和寄生电感很少对通孔产生影响。就1到4层PCB设计而言，过孔、焊盘和地平面的隔离区可以分别选择直径为0.36mm、0.61mm或1.02mm的通孔。一些有特殊要求的信号走线可以采用直径为0.41mm、0.81mm和1.32mm的通孔。

高速 PCB 中的 THT 设计

根据上面提到的THT的寄生特性，我们可以看到，看起来简单的THT往往会给高速PCB设计中的电路设计带来很大的负面影响。为了减少THT的寄生效应带来的不良影响，提供以下提示作为参考：
a.应选择合适的 THT 尺寸。对于多层普通密度的PCB设计，THT应选用通孔参数分别为0.25mm、0.51mm和0.91mm的过孔、焊盘和隔离区。高密度PCB还可以选择参数为0.20mm、0.46mm和0.86mm的通孔用于过孔、焊盘和隔离区域。非 THT 也是有选择性的。对于涉及电源或地的通孔，可选择大尺寸通孔以降低阻抗。
b．电源层的隔离面积越大越好。就通孔密度而言，D1的值通常为D2与0.41mm之和。
c．信号走线最好不跨层布置，即尽量减少通孔的数量。
d．利用更薄的 PCB 有利于降低寄生参数。
e．通孔应尽可能靠近电源和接地引脚，THT 和引脚之间的引线应尽可能短，因为它们会导致电感改善。此外，电源线和地线可以尽可能粗，以降低阻抗。

当然，具体问题要在PCB设计阶段具体分析。永远无法避免另外两个方面：成本和信号质量。在高速 PCB 设计过程中应权衡考虑，以可接受的成本捕获最佳信号质量。

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