一、什么是PCB過孔？

過孔（via），也叫PCB導(dǎo)通孔（PCB Via Hole），是PCB多層線路板的重要組成部分之一。PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。鉆孔是屬于PCB制作工序的前端，在開料之后，PCB鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%到40%。

從作用上看，過孔可以分成兩類：

• 一是用作各層間的電氣連接

• 二是用作器件的固定或定位

如果從工藝制程上來說，這些過孔一般又分為三類，即盲孔（blind via）、埋孔（buried via）和通孔（through via）。

盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率（孔徑）。

埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層，層壓前利用通孔成型工藝完成，在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。

通孔這種孔穿過整個(gè)線路板，可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。

由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以絕大部分印刷電路板均使用它，而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔，沒有特殊說明的，均作為通孔考慮。從設(shè)計(jì)的角度來看，一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成，一是中間的鉆孔（drill hole），二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。

很顯然，在高速，高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，總是希望過孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線空間，此外，過孔越小，其自身的寄生電容也越小，更適合用于高速電路。

但孔尺寸的減小同時(shí)帶來了成本的增加，而且過孔的尺寸不可能無限制的減小，它受到鉆孔（drill）和電鍍（plating）等工藝技術(shù)的限制：孔越小，鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長，也越容易偏離中心位置；且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時(shí)，就無法保證孔壁能均勻鍍銅。

比如，如果一塊正常的6層線路板的厚度（通孔深度）為50Mil，那么，一般條件下PCB廠家能提供的鉆孔直徑只能達(dá)到8Mil。

隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展，鉆孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小于等于6Mil 的過孔，我們就稱為微孔。在HDI（高密度互連結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔，微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上（Via-in-pad），這大大提高了電路性能，節(jié)約了布線空間。

過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)造成信號的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右，比如50歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會(huì)減小6歐姆（具體和過孔的尺寸，板厚也有關(guān)，不是減?。?。

但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的，其反射系數(shù)僅為：（44-50）/（44+50）=0.06過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

二、過孔的寄生電容

過孔本身存在著對地的寄生電容，如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，板基材介電常數(shù)為ε，則過孔的寄生電容大小近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時(shí)間，降低了電路的速度。

舉例來說，對于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內(nèi)徑為10Mil，焊盤直徑為20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil，則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）=0.517pF

這部分電容引起的上升時(shí)間變化量為：T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps 

從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，EDA365電子論壇提醒設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。

三、過孔的寄生電感

同樣，過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。

我們可以用下面的公式來簡單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感：L=5.08h［ln（4h/d）+1］

其中L指過孔的電感，h是過孔的長度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響的是過孔的長度。

仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過孔的電感為：L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH

如果信號的上升時(shí)間是1ns，那么其等效阻抗大小為：XL=πL/T10-90=3.19Ω

這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略，特別要注意，旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過兩個(gè)過孔，這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。

四、高速PCB中的過孔設(shè)計(jì)

通過上面對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡單的過孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。

為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在設(shè)計(jì)中可以盡量做到以下幾方面：

從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔。比如對6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計(jì)來說，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好，對于一些高密度的小尺寸的板子，也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。目前技術(shù)條件下，很難使用更小尺寸的過孔了。對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗。

上面討論的兩個(gè)公式可以得出，使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。

電源和地的管腳要就近打過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗。

PCB板上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量減少不必要的過孔。

在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況，有的時(shí)候，我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。

特別是在過孔密度非常大的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致在鋪銅層形成一個(gè)隔斷回路的斷槽，解決這樣的問題除了移動(dòng)過孔的位置，我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。

如何使用過孔：通過上面對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB 設(shè)計(jì)中，看似簡單的過孔使用不當(dāng)往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。

五、為什么要將PCB線路板的過孔堵上？

Via hole導(dǎo)通孔起線路互相連結(jié)導(dǎo)通的作用，電子行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)PCB的發(fā)展，也對印制板制作工藝和表面貼裝技術(shù)提出更高要求。Via hole塞孔工藝應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)應(yīng)滿足下列要求：

（一）導(dǎo)通孔內(nèi)有銅即可，阻焊可塞可不塞；

（二）導(dǎo)通孔內(nèi)必須有錫鉛，有一定的厚度要求（4微米），不得有阻焊油墨入孔，造成孔內(nèi)藏錫珠；

（三）導(dǎo)通孔必須有阻焊油墨塞孔，不透光，不得有錫圈，錫珠以及平整等要求。

隨著電子產(chǎn)品向“輕、薄、短、小”方向發(fā)展，PCB也向高密度、高難度發(fā)展，因此出現(xiàn)大量SMT、BGA的PCB，而客戶在貼裝元器件時(shí)要求塞孔，主要有五個(gè)作用：

（一）防止PCB過波峰焊時(shí)錫從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成短路；特別是我們把過孔放在BGA焊盤上時(shí)，就必須先做塞孔，再鍍金處理，便于BGA的焊接。

（二）避免助焊劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi)；

（三）電子廠表面貼裝以及元件裝配完成后PCB在測試機(jī)上要吸真空形成負(fù)壓才完成：

（四）防止表面錫膏流入孔內(nèi)造成虛焊，影響貼裝；

（五）防止過波峰焊時(shí)錫珠彈出，造成短路。

六、導(dǎo)電孔塞孔工藝的實(shí)現(xiàn)

對于表面貼裝板，尤其是BGA及IC的貼裝對導(dǎo)通孔塞孔要求必須平整，凸凹正負(fù)1mil，不得有導(dǎo)通孔邊緣發(fā)紅上錫；導(dǎo)通孔藏錫珠，為了達(dá)到客戶的要求，導(dǎo)通孔塞孔工藝可謂五花八門，工藝流程特別長，過程控制難，時(shí)常有在熱風(fēng)整平及綠油耐焊錫實(shí)驗(yàn)時(shí)掉油；固化后爆油等問題發(fā)生?，F(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際條件，對PCB各種塞孔工藝進(jìn)行歸納，在流程及優(yōu)缺點(diǎn)作一些比較和闡述：

注：熱風(fēng)整平的工作原理是利用熱風(fēng)將印制電路板表面及孔內(nèi)多余焊料去掉，剩余焊料均勻覆在焊盤及無阻焊料線條及表面封裝點(diǎn)上，是印制電路板表面處理的方式之一。

6.1 、熱風(fēng)整平后塞孔工藝

此工藝流程為：板面阻焊→HAL→塞孔→固化。采用非塞孔流程進(jìn)行生產(chǎn)，熱風(fēng)整平后用鋁片網(wǎng)版或者擋墨網(wǎng)來完成客戶要求所有要塞的導(dǎo)通孔塞孔。塞孔油墨可用感光油墨或者熱固性油墨，在保證濕膜顏色一致的情況下，塞孔油墨最好采用與板面相同油墨。此工藝流程能保證熱風(fēng)整平后導(dǎo)通孔不掉油，但是易造成塞孔油墨污染板面、不平整。客戶在貼裝時(shí)易造成虛焊（尤其BGA內(nèi)）。所以許多客戶不接受此方法。

6.2 、熱風(fēng)整平前塞孔工藝

6.2.1 用鋁片塞孔、固化、磨板后進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移

此工藝流程用數(shù)控鉆床，鉆出須塞孔的鋁片，制成網(wǎng)版，進(jìn)行塞孔，保證導(dǎo)通孔塞孔飽滿，塞孔油墨塞孔油墨，也可用熱固性油墨，其特點(diǎn)必須硬度大，樹脂收縮變化小，與孔壁結(jié)合力好。工藝流程為：前處理→ 塞孔→磨板→圖形轉(zhuǎn)移→蝕刻→板面阻焊

用此方法可以保證導(dǎo)通孔塞孔平整，熱風(fēng)整平不會(huì)有爆油、孔邊掉油等質(zhì)量問題，但此工藝要求一次性加厚銅，使此孔壁銅厚達(dá)到客戶的標(biāo)準(zhǔn)，因此對整板鍍銅要求很高，且對磨板機(jī)的性能也有很高的要求，確保銅面上的樹脂等徹底去掉，銅面干凈，不被污染。許多PCB廠沒有一次性加厚銅工藝，以及設(shè)備的性能達(dá)不到要求，造成此工藝在PCB廠使用不多。

6.2.2 用鋁片塞孔后直接絲印板面阻焊

此工藝流程用數(shù)控鉆床，鉆出須塞孔的鋁片，制成網(wǎng)版，安裝在絲印機(jī)上進(jìn)行塞孔，完成塞孔后停放不得超過30分鐘，用36T絲網(wǎng)直接絲印板面阻焊，工藝流程為：前處理——塞孔——絲印——預(yù)烘——曝光一顯影——固化

用此工藝能保證導(dǎo)通孔蓋油好，塞孔平整，濕膜顏色一致，熱風(fēng)整平后能保證導(dǎo)通孔不上錫，孔內(nèi)不藏錫珠，但容易造成固化后孔內(nèi)油墨上焊盤，造成可焊性不良；熱風(fēng)整平后導(dǎo)通孔邊緣起泡掉油，采用此工藝方法生產(chǎn)控制比較困難，須工藝工程人員采用特殊的流程及參數(shù)才能確保塞孔質(zhì)量。

6.2.3 鋁片塞孔、顯影、預(yù)固化、磨板后進(jìn)行板面阻焊

用數(shù)控鉆床，鉆出要求塞孔的鋁片，制成網(wǎng)版，安裝在移位絲印機(jī)上進(jìn)行塞孔，塞孔必須飽滿，兩邊突出為佳，再經(jīng)過固化，磨板進(jìn)行板面處理，其工藝流程為：前處理——塞孔一預(yù)烘——顯影——預(yù)固化——板面阻焊

由于此工藝采用塞孔固化能保證HAL后過孔不掉油、爆油，但HAL后，過孔藏錫珠和導(dǎo)通孔上錫難以完全解決，所以許多客戶不接受。

6.2.4 板面阻焊與塞孔同時(shí)完成

此方法采用36T（43T）的絲網(wǎng)，安裝在絲印機(jī)上，采用墊板或者釘床，在完成板面的同時(shí)，將所有的導(dǎo)通孔塞住，其工藝流程為：前處理--絲印--預(yù)烘--曝光--顯影--固化。

此工藝流程時(shí)間短，設(shè)備的利用率高，能保證熱風(fēng)整平后過孔不掉油、導(dǎo)通孔不上錫，但是由于采用絲印進(jìn)行塞孔，在過孔內(nèi)存著大量空氣，在固化時(shí)，空氣膨脹，沖破阻焊膜，造成空洞，不平整，熱風(fēng)整平會(huì)有少量導(dǎo)通孔藏錫。