PCB中的过孔设计和背钻工艺

  PCB 过孔是指印刷电路板上用于不同 PCB 层之间的电气连接、直插元件安装或与外部组件（螺钉、连接器等）的连接的过孔。在PCB设计中，往往需要采用多层PCB，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接，过孔能起到一个很好的连接作用，而过孔是多层PCB 设计中的一个重要因素。

  通孔：最常见和最简单的PCB 过孔是通孔过孔。通孔是从PCB的上层钻到底层的机械钻孔。通孔过孔主要是PTH（电镀通孔）通孔，也有一些是NPTH（非电镀通孔）通孔。PTH过孔用于直插元件或不同PCB层之间的电气连接，而NPTH用于与螺钉或连接器进行机械连接以固定PCB，通孔的最大纵横比为 10：1。如果电路连接不是从上层到底层，可以转向其他PCB过孔类型以节省空间。

  盲孔：盲孔是激光钻孔的一种，是从 PCB 的上层或底层到内层钻孔和电镀的孔。先进的 PCB 制造商在所需的电路板层上钻孔，然后将这些层堆叠起来以创建盲孔并电镀它们。孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

  埋孔：埋孔可以是激光钻孔也可以是机械钻孔，指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。

  高速多层板中，在频率低于1 GHz时，过孔的寄生电容、电感可忽略。当频率高于1 GHz后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题。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）选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB 设计来说，选用0.25mm的过孔较好；对于一些高密度的PCB 也能够正常的使用0.1mm过孔，也能够尝试盲埋孔；对电源或地线的过孔则可优先考虑使用较大尺寸，以减小阻抗；

  （4）电源和地的管脚要就近过孔，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；

  需要强调的是，过孔长度也是影响过孔电容和电感的重要的因素之一。对用于顶、底层导通的过孔，过孔长度等于PCB厚度，由于PCB层数的持续不断的增加，PCB厚度可能会达到5 mm以上。然而，高速PCB设计时，为减小过孔带来的问题，下面介绍PCB生产中的背钻工艺。

  Backdrill，背钻技术是利用控深钻孔方法，采用二次钻孔方式钻掉连接器过孔或者信号过孔的多余（Stub）孔壁。背钻技术能去掉孔壁stub带来的寄生电容效应，保证信道链路中过孔处的阻抗与走线具有一致性，减少信号反射，从而改善信号质量。背钻是目前性价比最高的、提高信道传输性能最有效的一种技术。当然，使用背钻技术，会对PCB制成成本会有一定的增加。

  如下图所示，通孔成型后，通过从“背面”的二次钻孔，去除PCB通孔的多余Stub，当然背钻钻头的直径要大于通孔的孔直径，而且要根据加工钻孔的深度工艺公差水平，在“不能破坏PCB孔与走线连接”的基础上保证“多余Stub长度尽可能小”，即所谓的“控深钻孔”。

  上图为通孔背钻剖面示意图，左边为正常的信号通孔；右边为背钻后的通孔示意图，表示从Bottom层一直钻到走线Trace所在的信号层。

  前面说到，背钻的作用是钻掉没有起到任何连接或者传输作用的通孔段，避免造成高速信号传输的反射、散射、延迟等。通常我们大家都认为大于5Gbps速率的信号需要仔细考虑增加背钻设计。当然，高速互连链路的设计是个系统工程，如果芯片驱动能力足够强，亦或系统互连链路不那么长，也许不做背钻设计信号质量同样能过关。最靠谱的做法还是通过系统互连链路仿真的方法来确定是不是需要背钻。

  如下图所示为两种通孔结构的信号传输时电平转换眼图。左边是具有完整的Stub镀铜短线柱，右边的是Stubless、没有镀铜短线柱的情况。能够准确的看出，通孔镀铜短线柱在Pedestal Width这段区域其Pedestal Height消隐脉冲高度处于逻辑0到1和逻辑1到0转换中的不确定状态。这些不确定电平翻转区域，使得数字接收更难以确定接收的信号到底是逻辑1还是逻辑0。如右图所示，消除互连的Stub后测试的信号眼图的眼睛张开的范围更大，工作更稳定更可靠。