当前，PCB电路板设计在通信和图形图像运算处理等领域应用广泛，高科技附加值的电子产品设计都在追求低功耗、低电磁辐射、高可靠性和小型化的特点，过孔设计是一个重要的考虑因素。下面我們將详细介绍了高速电子线路中过孔设计面临的挑战及建模仿真研究方法。
PCB印刷电路板是干什么的？
PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
什么是PCB过孔？
PCB过孔是用于将不同层的铜箔线路连接起来的导电通道。通常为多层结构，常见的如双层板、四层板，甚至可以达到几十层。在这些层之间，过孔起到导电桥梁的作用。它是通过在电路板上钻孔，再在孔壁上镀铜而形成的导电通道。
PCB过孔有什么用？
电气连接 - 过孔最核心的功能就是电气连接，它将不同层的信号通过过孔进行传递，确保电子元件之间的电气连接。 连接电源和接地层 - 在多层PCB设计中，通常有专门的电源层和接地层。通过过孔，可以将电源和接地层之问连接起来，从而使得整个电路的电源供应更加稳定，减小了电源嗓声和干扰。 过孔的散热作用 - 在某些功率较高的电路中，过孔还可以起到散热的作用。通过将热量从PCB元器件层传导到散热层或外部散热器，过孔能够有效地帮助降低PCB整体温度，保证设备的长期稳定运行。
PCB设计过孔通常应用于多层PCB电路板或路由信号的层与层之间电气连接，将电信号从一层传输到另一层，单层电路设计则不需要过孔。值得注意的是过孔的设计直接影响着高速电路信号传输的速度，过孔本身存在着对地的寄生电容，会延长信号的上升时间，以导致信号传输的不连续性，并显著影响着高速电路设计中信号的完整性。同时，过孔的寄生串联电感也会削弱旁路电容的作用，减弱电源系统的滤波效果，因此工程师在高速电路设计中需考虑过孔设计使其具备良好的阻抗转换。
图1 高速电子线路中的过孔截面示意图
图2 3英寸微带线和3英寸带状线下过孔对高速电路信号传输通道的影响图
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过孔和元件孔有何区别？
在PCB中，孔径分为过孔和元件孔是有区别的，一定不要混用。
过孔一般是起到两面导通的作用，加工过程常规是选择盖油处理。
元件孔通常是设计成插件孔，在插件焊接时使用。
如果混用过孔和元件孔，选择过孔盖油时，插件孔会被油墨盖住或者堵住，目大小无法达到有效控制。另一种情况是误将元件孔，当做过孔使用，那么软件自动关闭过孔开窗时，无法有效识别，会导致需要盖油的过孔无法盖油。
高速电子线路PCB过孔的类型有哪四种?
高速电子线路中的过孔一般分为金属化通孔(PTH)、盲孔、埋孔和μ过孔四类，
图3 高速电子线路PCB过孔分类
1.通孔 (Through-hole Via) - 通孔是PCB设计中最常见的一种过孔类型，它贯穿了整个PCB的厚度，从最上层的铜箔一直延伸到最底层的铜箔。通孔不仅用于信号层间的连接，也常常用于电源层和接地层的连接。由于它贯穿所有层，因此制造成本较低，且工艺相对简单。
高速电子线路PCB过孔类型的截面分别如图3所示。过孔的组成部分为过孔盘、隔离盘、信号过孔和地线过孔，过孔导管的两个末端分别连接过孔盘，非功能性过孔盘内部或外部盘未连接任何走线或组件。
图4 PTH、盲孔、埋孔和μ通孔的截面示意图
当信号从顶层传输到内部某层时，用通孔连接就会产生多余的导通孔，导通孔将会极大地影响着信号的传输质量，采用盲孔和埋孔可有效避免短柱对信号完整性的影响，可获得更好的过孔信号传输质量，过孔的外部和内部的组成分解如图5所示。
图5 过孔的组成分解图和内部连接图
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PCB过孔的设计考虑到因素
在实际设计中，过孔设计需要考虑到多个因素，包括机械强度、电气性能以及制造工艺等。以下是一些主要的设计考量.
1.过孔的尺寸
过孔的直径和焊盘尺寸需要根据信号类型、电流强度等因素来确定。较大的过孔有更强的机械强度和电流承载能力，但占据空间更多。较小的过孔则适用于高密度设计，但会增加制造难度和成本。
多大的孔称为小孔呢？
从PCB设计角度来说，0.3mm为分界点，小于0.3mm的孔被称为小孔。
过孔越小，越难加工，尤其是过孔大小接近工艺极限时。
因此，在PCB设计时，尽量将过孔尺寸设计为大于0.3mm，以确保加工效率和降低成本。只有在空间受限的情况下，才考虑使用小孔。
2.信号完整性
在高速电路中，过孔会影响信号的完整性。过孔的寄生电感和寄生电容可能会导致信号反射、阻抗失配，进而导致信号失真。因此，在高速设计中，设计者需要优化过孔的数量：位置和尺寸，以减少这些负面影响。
如何计算寄生电容？
如何计算寄生电感？
高速电路过孔电流的电磁趋肤效应
图6 高速电路过孔电流的电磁趋肤效应示意图
图7 仿真的过孔模型和Z11的路径阻抗仿真图
图8 导通孔短柱效应对信号的损耗分析图
过孔设计中的常见问题
在实际设计和生产中，过孔的设计可能会遇到以下问题：
1.过孔堵塞 - 在PCB制造过程中，如果过孔中的杂质没有清理干净，可能会导致电镇不均匀，进而影响过孔的导电性。这种情况下，过孔可能会堵塞或电气性能不佳，影响整个电路的正常工作。
2. 信号反射 - 高速信号在经过过孔时，如果设计不当，可能会产生信号反射。为了避免这种情况，设计师可以通过调整过孔的数量、优化阻抗匹配等手段来减少信号失真。
3.热膨胀问题 - 在高温工作环境下，PCB材料的热膨胀系数不同于铜的膨胀系数，可能导致过孔附近的铜箔断裂。为了避免这种情况，设计师可以选择热膨胩系数更匹配的材料或通过多层结构分散热应力。
除了以上問題，过孔、通孔盘、隔离盘和非功能孔盘等因素会影响过孔的阻抗；通孔短柱会充当串联LC谐振器，以显著增加过孔的信号损耗，可以通过反向过孔或通孔短路设计来使得信号的损耗最小化。差分通孔用于差分信号传输，紧密的信号耦合更受欢迎，对于过孔建模，我们可以采用是德科技提供的的ADS仿真工具和EMPRO电磁兼容分析工具。
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