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PCB线路板过孔对信号传输的影响作用

过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。

一、过孔的寄生电容

过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/(D2-D1)过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，设计者还是要慎重考虑的。

二、过孔的寄生电感

同样，过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

联兴华电子深圳pcb线路板厂家，公司成立于2005年，是一家以生产批量。样板及快板PCB为主的企业，提供单面pcb线路板、双面pcb线路板、pcb多层线路板、PCB线路板制作生产，PCB线路板产品等快速打样、深圳电路板制作17年行业经验。

三、高速PCB中的过孔设计

通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：

1、从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。

2.上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3、电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。

4、PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然，在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。

PCB多层板表面处理方式分类：
1.热风整平涂布在PCB表面的熔融锡铅焊料和加热压缩空气流平（吹气平整）过程。使其形成抗铜氧化涂层，可提供良好的可焊性。热风焊料和铜在结合处形成铜 - 锡金属化合物，其厚度约为1～2mil；


2.有机抗氧化（OSP）通过化学方法在清洁的裸铜表面上生长一层有机涂层。这种PCB多层板薄膜具有抗氧化，耐热冲击，防潮，以保护铜表面在正常环境下不再生锈（氧化或硫化等）;同时，在随后的焊接温度下，焊接用焊剂很容易快速去除；

3.镍金化学在铜表面，涂有厚实，良好的镍金合金电性能，可以保护PCB多层板。很长一段时间不像OSP，它只用作防锈层，它可以用于长期使用PCB并获得良好的电能。此外，它还具有其他表面处理工艺所不具备的环境耐受性；

4.化学镀银沉积在OSP与化学镀镍/镀金之间，PCB多层板工艺简单快速。暴露在炎热，潮湿和污染的环境中仍然提供良好的电气性能和良好的可焊性，但失去光泽。由于银层下没有镍，沉淀的银不具有化学镀镍/浸金的所有良好的物理强度；

5.在PCB多层板表面导体上镀镍金，镀一层镍然后镀一层金，镀镍主要是为了防止金与铜之间的扩散。有两种类型的镀镍金：软金（，这意味着它看起来不亮）和硬金（光滑，坚硬，耐磨，钴和其他元素，表面看起来更亮）。软金主要用于芯片包装金线；硬金主要用于非焊接电气互连。

6.PCB混合表面处理技术选择两种或两种以上表面处理方法进行表面处理，常见的形式有：镍金防氧化，镀镍金沉淀镍金，电镀镍金热风整平，常见形式有：镍金防 - 氧化，镀镍金沉淀镍金，电镀镍金热风整平，重镍和金热风平整。尽管PCB多层板表面处理过程的变化并不显着，并且似乎有些牵强，但应该注意的是，长期缓慢的变化将导致的变化。随着对环境保护的需求不断增加，PCB的表面处理工艺必将在未来发生变化。

PCB板材的Tg值

业界长期以来，Tg值是常见的用来划分FR-4基材的等级指标，通常认为Tg值越高，材料的可靠性越高。

比如下图老wu在南亚上边截取的关于FR-4板材的说明：

Tg135℃，板材用途：主机板、消费类电子产品等

Tg180℃，板材用途：CPU主板，DDR3 内存基板，IC封装用基板等等。

基材对于印刷电路板的作用，就像印刷电路板对于电子器件的作用一样重要。按照PCB的基材按性质可分为有机基板和无机基板两个大的体系。

有机基板由酚醛树脂浸渍的多层纸层或环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯、BT 树脂等浸渍的无纺布或玻璃布层组成。这些基板的用途取决于 PCB 应用所需的物理特性,如工作温度、频率或机械强度。

无机基板主要包括陶瓷和金属材料，如铝、软铁、铜。这些基板的用途通常取决于散热需要。

我们常用的刚性印制板基板属于有机基板，比如FR-4环氧玻纤布基板，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。

我们看到，FR-4以环氧树脂作为粘合剂，树脂材料有一个重要特性参数：玻璃化转变温度Tg（glass transition temperature），指的是材料从一个相对刚性或“玻璃”状态转变为易变性或软化状态的温度转变点。

玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互可逆转化的温度。啥意思？就是说FR-4基板的粘合剂环氧树脂若温度低于Tg，这时材料处于刚硬的“玻璃态”。当温度Tg时，材料会呈现类似橡胶般柔软可挠的性质。对！它~变【软】了~ 图片



玻璃态

树脂材料处于温度Tg以下的状态为坚硬的固体即玻璃态。在外力作用下有一定的变形但变形可逆，即外力消失后，其形变也随之消失，是大多数树脂的使用状态。

高弹态

当树脂受热温度超过Tg时，无定形状态的分子链开始运动，树脂进入高弹态。处于这一状态的树脂类似橡胶状态的弹性体，但仍具有可逆的形变性质。

注意，温度超过Tg值后，材料逐渐变软，是逐渐，而且只要树脂没有发生分解，当温度冷却到Tg值以下时，它还是可以变回之前性质相同的刚性状态。

氮素，有个Td值，叫热分解温度，树脂类材料被加热至某一高温点时，树脂体系开始分解。树脂内的化学键开始断裂并伴随有挥发成分溢出，那PCB基材里的树脂就变少了。Td点指的是这个过程开始发生的温度点。Td通常定义为失去原质量5%时对应的分解温度点。但这5%对于多层PCB来说是非常高的了。

我们知道，影响PCB上传输线特性阻抗的因素有，线宽，走线与参考平面间距，板材介电常数等等。而基板材料的树脂量对介电特性有很大的影响，而且树脂挥发后对控制走线与参考平面的间距也有影响。

对于无铅焊接工艺需要考虑这个Td值，比如传统的锡铅焊接工艺温度范围为210~245℃，而无铅焊接工艺温度范围为240~270℃。

下边两个这个截图是老wu在建滔官网上下载的两份板材的参数表做的对比，左边的是FR-4常规系列板材，右边是FR-4无铅板材

常规FR4 板材 KB-6160 Tg值为135℃，5%质量损失Td值为305℃

FR4无铅板材 KB-6168LE Tg值为 185℃，5%质量损失Td值为359℃

我们看到，常规FR4板材的Td值都在300℃以上，而有铅焊接工艺温度范围在240~270℃，Td值完全满足哇，为啥还要搞个无铅版本呢？

正如老wu上边所述，5%的树脂质量挥发率对于需要控制阻抗的多层PCB来说显得太大了，对于锡铅焊接工艺来说，210~245℃的温度材料基本不会出现明显的热分解，而无铅焊接的240~270℃温度区间，对于普通Tg FR-4 基材来说，已经开始损失1.5~3%的树脂质量。虽然不到IPC标准所要求的5%，但这损失的树脂质量也不可忽视。同时，这个分解水平，还可能会影响基材长期的可靠性或导致焊接过程中出现分层或空洞的缺陷，特别是需要多次焊接的过程或存在返修加热的情况。

所以，如果采用无铅焊接工艺的话，除了考虑Tg值，还要考虑Td值。

基板材料的性能在Tg值以上和在Tg值以下时差异很大，不过，Tg值一般被描述为一个非常的温度值，比如Tg135，并不是说温度一超过135℃基板就变得软趴趴，而是当温度接近Tg值开始，材料的物料性能会开始改变，它是一个逐步变化的过程。

树脂体系的Tg值对材料的性能影响主要有两个方面：

热膨胀的影响

树脂体系固化时间

板材受热膨胀，脑补一下画面，SMT焊接时BGA焊盘的间距是不是也就跟着变化了？而且，热膨胀导致的机械应力，会对PCB上的走线和焊盘的连接造成细微的裂纹，这些裂纹可能在PCB生产完毕后的开/短路测试时不会被发现，而在SMT等二次加热后故障就显现出来了，这往往让人很懵逼，而糟糕的情况是，SMT加热时暗病都没出现，在产品出去之后，在冷热交替的使用环境中，板材的受热膨胀让这些细微的裂纹随机性的发生，造成设备故障。

基板材料热性能参数除了标准Tg、Td值，还有热膨胀系数CTE，有X/Y轴方向的CTE也有Z轴方向的CTE。

Z轴的CTE对PCB的可靠性有很重要的影响。由于镀覆孔贯穿PCB的Z轴，所以基材中的热膨胀和收缩会导致镀覆孔扭曲和塑性形变，也会使PCB表面的铜焊盘变形。

而SMT时，X/Y轴的CTE则变得非常重要。特别是采用芯片级封装（CSP）和芯片直接贴装时，CTE的重要性更为，同时，X/Y轴的CTE也会影响覆铜箔层压板或PCB的内层附着力和抗分层能力。特别是采用无铅焊接工艺的PCB来说，每一层中的X/Y轴CTE值就显得尤其重要了。

那么，是不是高Tg值的基材就是好呢？在关于Tg值的许多讨论中，往往认为较高的Tg值总是对基材有利的，但情况也并非总是如此。可以确定的是，对于一种给定的树脂体系，高Tg值基材在受热时的材料高速率膨胀开始时间要相对晚一些，而整体膨胀则与材料的种类有很大关系。低Tg值的基材可能会比高Tg值的基材表现出更小的整体膨胀，这主要与树脂本身的CTE值，或者树脂配方中加入无机填料 降低了基材的CTE有关。

同时还要注意的是，有些低端的FR-4材料，标准Tg值是140℃的基材比标准Tg值是170℃的基材具有更高的热分解温度Td值。如上边老wu所述，Td对于无铅焊接来说是一个很重要的指标，一般建议选择Td数值较大的，而的FR-4往往同时具备高的Tg值和高Td值。

此外，高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆，这往往会影响PCB制造过程的生产效率，特别是钻孔工序。

比如某创就发帖子说明，随着板子越来越密，过孔与过孔之间的间隙越来越小，对于材料要求越来越高，为此某创将提供TG=155的中TG板材为多层板收费服务！

为啥多收费？

TG=155的板材比TG=135的成本高20%左右,嗯 来料贵了

因为钻孔,中TG用新钻钻咀效果更佳（一般钻咀能磨4次），因为太硬

压合时间：普通TG=135的只需要压合110分钟，而中TG=1 55的压合150分钟

为啥要提供中或高Tg板材，板厂那边说，原因之一是因为高密的过孔，普通TG的过孔间距不能小于12MIL，而中TG不能小于 10MIL，因为板材有玻璃布，在钻孔的时候会有一些拉伤，两个过孔之间你拉一点我拉一点就形成了灯芯效应，而中TG因为硬，板材内的成份不一样，又加上用新钻咀能有效的防范灯芯效应，后续对于难度高的多层板，过孔间间隙太密，某创会强制客选择用中TG板材生产！

原因之二是基板的Tg提高了， 印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高，板材的耐温度性能越好，尤其在无铅喷锡制程中，高Tg应用比较多。

这是从板厂的可制造性方面考虑，而如果是PCB装配采用无铅焊接工艺的话，还需要综合考虑玻璃化转变温度Tg、分解温度Td、热膨胀系数CTE、吸水率、分层时间等等因素。