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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,而对电感影响最大的是过孔的长度。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。
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=K*ε0*3.14*TD1/(D2-D1)(ε0为真空介电常数,K为PCB相对(真空ε0)介电系数)
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=K*ε0*3.14*0.050x0.020/(0.032-0.020),这部分电容会引起的上升时间的变化。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。
过孔,在线路板中,一条线路从板的一面跳到另一面,连接两条连线的孔也叫过孔(区别于焊盘,边上没有助焊层。)
过孔也称金属化孔,在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔。在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状,过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。
过孔不仅可以是通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。
寄生
寄生电感一半是在PCB过孔设计所要考虑的。 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...
通电导线是可以产生磁场的那么两根并行导线就是两个圆环形状的磁场相重合,从剖面看就是两个园相交了。那么这时如果一根导线切割另一根导线产生的磁场产生微弱电流,就会产生干扰。双绞线将两根导线分别承螺旋状绞合...
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大小。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。受限于技术条件,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.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。
4.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。
5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。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。
分析计算同轴电缆的寄生电感时应注意的问题
在分析计算导体的寄生电感时,应考虑导体的横截面积,同时应注意磁通匝链数这一重要概念,否则计算结果将产生错误。
过孔滑环,也叫空心轴滑环,什么是过孔滑环? 滑环的结构有很多种,根据结构,使用领域,传输介质等都有不同的分类法,过孔式滑环主要从结构上来划分的,也叫空心轴滑环。
QFN封装具有优异的热性能,主要是因为封装底部有大面积散热焊盘,为了能有效地将热量从芯片传导到PCB上,PCB底部必须设计与之相对应的散热焊盘以及散热过孔,散热焊盘提供了可靠的焊接面积,过孔提供了散热途径。
通常散热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配,然而还需考虑各种其他因素,例如避免和周边焊盘的桥接等,所以热焊盘尺寸需要修订,具体尺寸见表1。散热过孔的数量及尺寸取决于封装的应用情况,芯片功率大小以及电性能的要求。建议散热过孔的间距为1.0mm~1.2mm,过孔尺寸为0.3mm~0.33mm。散热过孔有四种设计形式:如使用干膜阻焊膜从过孔顶部或底部阻焊;或者使用液态感光(LPI)阻焊膜从底部填充;或者采用"贯通孔"。这些方法在图4中有描述,所有这些方法均有利有弊:从顶部阻焊对控制气孔的产生比较好,但PCB顶面的阻焊层会阻碍焊膏印刷;而底部阻碍和底部填充由于气体的外逸会产生大的气孔,覆盖2个热过孔,对热性能方面有不利的影响;贯通孔允许焊料流进过孔,减小了气孔的尺寸,但元件底部焊盘上的焊料会减少。散热过孔设计要根据具体情况而定,建议最好采用阻焊形式。
再流焊曲线和峰值温度对气孔的形成也有很大的影响,经过多次实验发现,在底部填充的热焊盘区域,当峰值回流温度从210℃增加到215℃~220℃时,气孔减少;对于贯通孔,PCB底部的焊料流出随回流温度的降低而减少。
在自然对流散热产品中,PCB上的过孔大小对散热的影响是很大的,但是具体有多大,还不知道,我们就从简单的产品分析开始,以单个芯片的过孔参数为对象,研究过孔参数变化对导热系数的影响:
条件:
4层板 PCB 尺寸100x100x1.6mm
芯片尺寸:40x40x3mm
过孔范围:40x40mm
过孔镀铜厚度:0.025mm
过孔间距:1.2mm
过孔之间填充:空气
针对过孔,主要有以下几个参数对散热有影响:
过孔的直径
过孔的数量
过孔铜箔的厚度
当然手工也可以计算(并联导热):
不过既然有了软件,我们可以利用软件快速的计算出各种组合的变化:
1 过孔的直径影响(其他参数不变)
(为什么是线性呢?想想......)
2 过孔的数量影响(其他参数不变)
(也是线性。。)
3 过孔的铜箔厚度影响(其他参数不变)
(还是线性。。)
结论:
加热过孔的目的就是为了增强Z向导热的能力,让发热面的元件快速冷却,所以,结合以上的数据可以看出,增加孔径,增加镀层厚度,增加过孔数目都是能显著强化Z向的导热的。
需要注意的是孔径的增加会破坏XY向平面的导热效果,不过这种破坏几乎可以忽略不计的。
另外,在过孔里面增加填充材料也能进一步提高Z向的导热效果。
在自然对流情况下,用过孔来进行对流散热带走的热量同样可以忽略不计。