【PCB工艺】如何实现PCB板层间的互连

系列文章目录

1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划

前言

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在设计电路之前，要了解制造商的能力，多说都是泪啊

通孔是钻在PCB上的微型导电通路，用于在不同的PCB层之间建立电气连接。基本上，通孔是PCB上的一个垂直轨迹。

①、什么是通孔

在我们深入研究通孔之前，我将简单地定义一下什么是PCB。PCB是在受控参数下传输信号的艺术。印制电路板是元件相互连接的基础。其主要目的是在有源和无源元件之间形成电气连接，而不中断或干扰另一个信号或连接。因此，其基本思想是在不与另一连接相冲突的情况下形成连接网络。因此，印制电路板是各部件之间的连接，其连接不会相互重叠。

为了达到这一标准，PCB是由多层组成的。但是，这些多层板是如何相互连接以建立电气连续性的呢？这时通孔就出现了。

如前所述，通孔是连接PCB不同层的微小导电隧道，允许信号在其中流动。

②、通孔是怎样产生的

通孔是通过钻孔产生的。钻孔是PCB线路板制造中最昂贵和最耗时的过程。PCB钻孔过程必须小心实施，因为即使是很小的错误也会导致很大的损失。钻孔工艺是PCB制造过程中最关键的工艺。钻孔工艺是通孔和不同层之间连接的基础，因此钻孔技巧十分重要。

PCB 钻孔技术主要分两种，机械钻孔和激光钻孔。

机械钻孔

特点：机械钻孔采用物理钻头进行作业，其操作简便，但精度相对较低。

孔径范围：能够钻出的最小孔径约为6密耳（0.006英寸），适用于大多数常规PCB需求。

优势：成本相对较低，技术成熟，易于大规模生产。

局限性：钻头寿命受材料硬度影响显著，软材料如FR4可达800次冲击，而高密度材料则减少至200次左右。若使用不当，易导致错误孔位，增加电路板报废风险。

激光钻孔

特点：非接触式工艺，通过高能激光束直接作用于电路板材料，实现高精度钻孔。

孔径范围：能够轻松钻出最小直径为2密耳（0.002英寸）的微孔，满足高密度互连（HDI）等高端需求。

优势：钻孔精度高，深度控制精确，适用于复杂电路板的微孔加工。

局限性：由于PCB材料（铜、玻璃纤维、树脂）的光学特性差异，激光钻孔效率可能受限，且整体工艺成本较高。

③、通孔种类

根据其功能，在PCB上钻的通孔有不同类型。

通孔–孔从顶部穿到底部层。连接是由顶层到底层的线路导通。

盲孔–孔从外部层穿出，在内部层结束。该孔不穿透整个电路板，但将PCB的外部层与至少一个内部层相连。要么是从顶层连接到中间的某一层，要么是从底层连接到中间的某一层。一旦层压完成，孔的另一端就看不到了。因此，它们被称为盲通孔。

埋孔（隐藏孔）-这些孔位于内层，没有通往外层的路径。它们连接内层，并隐藏在视线之外。

根据IPC标准，埋藏孔和盲孔的直径必须是6密耳（150微米）或更小。

最常见的通孔是微孔（µvias）。在PCB制造过程中，微孔是用激光钻出来的，与标准孔相比，它的直径更小（小到4密耳）。微孔是在高密度互连或HDI PCB中实现的。 微孔的深度通常不超过两层，因为这些小孔内的镀铜是一项繁琐的工作。正如前面所讨论的，通孔的直径越小，为实现无电解镀铜，镀液的抛射功率应该越高。

根据微孔在PCB层中的位置，可将其分为叠层孔和交错孔。此外，还有一种微孔叫做跳孔。跳过层，意味着它们穿过一个层，与该层没有电接触。被跳过的层将不会与该通孔形成电连接。因此而得名。

微通道改善了电气特性，也允许在更小的空间内实现更高的功能的微型化。这反过来又为智能手机和其他移动设备中的大针数芯片提供了空间。Microvias减少了印刷电路板设计中的层数，实现了更高的布线密度。这就消除了对通孔孔道的需求。微孔的微型尺寸和功能相继提高了处理能力。实施微孔而不是通孔可以减少印刷电路板的层数，也便于BGA的突破。如果没有微孔，你仍然会使用一个大的无绳电话，而不是光滑的小智能手机。

④、盘中孔

什么是盘中孔？盘中孔是指过孔打在焊盘上,焊盘为SMD盘,通常是指0603及以上的SMD及BGA焊盘,通常简称VIP(via in pad)。插件孔的焊盘不能称为盘中孔，因插件孔焊盘需插元器件焊接，所有插件引脚焊盘上都有孔。

根据设计者的要求，用不导电的环氧树脂填充通孔。之后，这个通孔被盖上盖子并进行电镀以提供导电性。这种技术缩小了信号路径的长度，因此，消除了寄生电感和电容效应。


孔中孔可以容纳更小的元件间距，并缩小了PCB的整体尺寸。这项技术是BGA脚印元件的理想选择，也是PCB组装的一个重要部分。

为了使事情变得更好，背钻工艺与孔中孔一起实施。背部钻孔是为了消除通孔中未使用部分的信号反射。对不需要的通孔残端进行钻孔以消除任何形式的信号反射。这确保了信号的完整性。

⑤、设计建议

这里有几个快速提示，你可以在设计中采用通孔时考虑：

除非设计上绝对需要，否则要避免盲孔和埋孔–这些孔需要更多的钻孔时间和额外的层压。这可能会增加整个PCB的成本。

叠层和交错通孔–选择交错通孔而不是叠层通孔，因为叠层通孔需要进行填充和平面化。这个过程很耗时，也很昂贵。

保持最小的纵横比。这能提供更好的电气性能和信号完整性。同时，这也导致了更低的噪音，更低的串扰，以及更低的EMI/RFI。

在高速设计中实施较小的通孔，因为杂散电容和电感会减少。

总是选择最简单的方案来满足你的设计需求。降低通孔的复杂性会导致周转时间和制造成本的降低。

非导电填充物通常足以满足信号布线的需要，而且更具有成本效益。因此，最好是尽可能地使用不导电的环氧树脂。

当你在布线高速信号时，如高清多媒体接口（HDMI），最好利用盲孔或埋孔来消除存根。

始终使用导热或高功率通孔的导电填料。较高的导热性能将有助于高功率元件所需的散热。

当使用填充通孔时，要确保填充后的焊盘表面是平面的，确保元件的水平放置，以避免墓碑状缺陷。墓碑缺陷是指在焊接过程中，元件的一侧从电路板上脱落。

在差分对上使用通孔–差分对布线要求导线的长度相等，以避免差分延时偏移。差分偏移是指一个信号比另一个信号更早到达接收器的情况。尽可能地避免在差分对上设置通孔。如果一个信号通过一个通孔，那么差分对中的另一个信号也必须通过一个通孔。在差分对中，每条线路上的通孔数量应该是相同的。

高速信号的通孔 - 通孔往往会给电路带来电感和电容。这种特性在频率较低的信号中通常可以忽略不计。当涉及到高速信号时，通孔可能会严重影响信号完整性。因此，最好避免在高速信号上使用通孔。