过孔基础知识

    过孔一般指印制电路板上的孔。过孔能够用来安装过孔器件或者在不同层之间走线(走线过孔)。在我们的眼中，安装过孔和走线过孔的唯一区别是焊接完成后，安装过孔有器件的一个脚焊接在孔里，而走线过孔依然为空。在电气方面，这2种过孔非常相似，在下面的章节我们将具体描述。
    注：本文中，焊盘指包围在过孔周围的铜箔，过孔指焊接通孔和走线的孔。

7.1 过孔的机械特性
    当过孔很大时，我们的布线空间就会很小，显然我们希望使用小的过孔，但是多小才合适呢 即使过孔已经很小，过孔做的更小，也能够在PCB板上布更多的线，提高布线密度。对于产品尺寸有限制的产品，设计者不得不使板上的过孔越来越小。
    过孔越小，寄生电容就越小。这意味着越小的过孔在高速场合工作的越好。在最高速的PCB设计中，小过孔是强制使用的。
    当然，小的过孔在生成过程中成本更高。工程设计中，性能越高成本越高是必然的，过孔也不例外。目前，对于过孔，我们有3个原则：

•  小的过孔占用小的面积
•  小的过孔有较小的寄生电容
•  小的过孔成本较高

    不要低估合适尺寸过孔的重要性。章节7.1的剩余部分将讨论成本和布线密度的权衡。章节7.2-7.4将讨论速度问题。

7.1.1完成的过孔直径
    让我们从头开始讨论过孔的直径，后面的章节讨论包围过孔的焊盘尺寸以及焊盘问隙的问题。
    由于安装过孔要连接和固定芯片引脚，其直径必须超过引脚直径。在通常的PCB上，良好的焊接需要使过孔直径超过引脚直径0.010-0.028英寸(与焊接工艺有关)。我们只能很少改变安装过孔的直径。
    合适的布线过孔直径是很难选择的。可以使用的最小布线过孔直径受到钻孔和电镀工艺的制约。小的孔需要小的钻头，而小钻头比大的容易折断。如果你的板上所有过孔直径都超过0.05英寸，PCB生产商将非常高兴。不幸的是，这么大的过孔严重影响布线密度。
    PCB上钻小孔也耗费更长的时间。对于比较大的孔，可以把几张PCB折叠起来一次钻通。而小的钻头，不能保证钻过多层PCB而不偏离中心。因此，加工小的孔需要耗费更长的时间。
    电镀不能通过很深的小孔。孔深度大于孔直径6倍时，不能保证被电镀的均匀一致。对于标准PCB材料(0.063英寸=1.6mm)，钻孔的最小直径为0.01-0.02英寸，与生产商的设备调节和生成要求有关。
    所有的这些原因提高了小过孔的成本。当和PCB生产商谈到费用时，一定要把钻孔能力和电镀能力与蚀刻能力区分开。这两种相近，但是不完全一样。你需要的是加工不同直径过孔的费用表(价格/1个过孔)和不同布线宽度PCB的费用表(价格/l平方英寸PCB)。你可以根据2个表选择最佳的过孔直径、布线宽度和PCB的层数。多数PCB厂商会适当的为了选择PCB层数提供参考。
    什么才是合理的过孔尺寸限制呢 美国军方标准MIL-STD-275E列出了3中可以接受的误差：推荐(Preferred)、标准(Standard)、减少(Reduced)。推荐类型的最便宜和容易生产。减少的成本高，难于达到标准。相关的文档IPC.D.300G列出了商业标准，数据略有不同。表7．1.7.3列出了MIL．STD．275E的部分内容。
 
 
 

    每个过孔在PCB表面都需要额外的空间来放置焊盘。焊盘连接过孔内部到PCB表面的印制走线。包围过孔的焊盘的尺寸主要由4个因素决定。表7.2列出了这些参数的典型值。

•   电镀允许值(Plating allowance)
•   过孔直径允许误差(Hole diameter tolerance)
•   过孔对齐允许值(Hole alignment allowance)
•   要求的环形圈(Required annular ring)

      过孔电镀前，必须钻孔。电镀过程覆盖孔内壁一层金属，使其导通，厚度为0.00l或者0.002英寸。电镀后的过孔直径比钻孔小0.002-0.004英寸。钻孔和电镀后过孔直径的差异为电镀允许值(Plating allowance)。电镀允许值为2倍最大电镀厚度。图7.1描述了钻孔直径和电镀完成的过孔直径关系。不必担心电镀厚度的不同，它为过孔直径允许误差的一部分。电镀允许值只需要考虑名义上的电镀厚度。
 
   
     没有生产厂家能够完美的钻孔。他们坚持使用钻孔直径误差表达，带误差允许的钻孔直径表达方式为0.032q±0.3in。孔直径允许误差引入了2个约束。
    我们必须稍微加大名义上的孔直径，以便最小的孔给器件引脚留下足够的空间，同时也要满足电镀要求的孔深度和宽度的比例。这个加大的值被计算到电镀允许值。
    另一方面，最大的孔直径不能越过它的焊盘。焊盘应被加大以免孔超越其范围。
    孔对齐允许误差考虑在钻孔机上的机械误差。钻孔机依靠板上提供的特定参考孔操作。板上蚀刻的图案也以参考孔为基准。机械操作过程的参照不是非常准确的。生产厂家引用孔对齐误差允许值来描述蚀刻的焊盘中心与钻孔中心的距离。孔对齐误差允许值包括钻孔和蚀刻造成的错误。
    参考图7.2，焊盘钻孔后留下的一圈焊盘叫环形圈(Annular ring)。如果钻孔偏离中心，环形圈的一侧将变薄甚至在一侧断裂。严重的断裂，如果发生在走线的一侧，可能影响过孔内壁和表面走线的电气连接。需要的环形圈参数说明了在最差钻孔情况下，包围过孔的焊盘的最小范围。如果画PCB时，在每个过孔的走线侧画一个凸出，你可以在商业产品中使用0或稍微负的环形圈要求。这种方式不能用于军用或者高可靠性产品上面。
 
 

最小的焊盘直径可以安装下面公式计算：
    PAD=FD+PA+2(HD+HA+AR)    [7.1]
说明：PAD最小焊盘直径
    FD 要求的最小完成孔直径
    PA  电镀允许值
    HD 孔直径误差
    HA 孔对齐误差
    AR 要求的环形圈尺寸
正确的名义上的钻孔直径为
    HOLE=FD+PA+HD    [7.2]
说明：FD、PA、HD的定义同[7.1]。下面是一个例子(英文)