前面我們講了過孔 你可能不知道！80% 的 PCB 毀于過孔

今天我們說說PCB縫合孔

由于 PCB 設(shè)計(jì)不良，設(shè)計(jì)良好的電路在 POC 階段或生產(chǎn)階段失敗的情況有很多。有一個(gè)比較常見的原因是：PCB接地反彈。

接地反彈，即電路的接地返回路徑?jīng)]有適當(dāng)?shù)你~面積并導(dǎo)致電路中的電阻，在這種情況下，處理運(yùn)算放大器會很困難，因?yàn)樗鼈冊跍y量方面非常敏感（如果用作感測放大器）或?qū)τ诟哳l操作中往往會產(chǎn)生EMI 干擾的RF電路。

而導(dǎo)致接地反彈的一個(gè)重要設(shè)計(jì)故障就是：沒有接地縫合。這里就來詳細(xì)講講縫合孔。

一、什么是縫合孔？

在說明什么是縫合孔之前，先了解一下縫合孔和過孔的區(qū)別：

1、過孔

PCB過孔

上圖顯示了具有基材的兩層板。這種基材可以是木復(fù)合板或玻璃板類型的材料。這種材料或特別是這種板在平面上方和下方都有銅。因此，看起來像下面這樣：

PCB層堆砌

上圖顯示了多層板中的不同層?，F(xiàn)在，如果有人想從上面的銅平面連接到下面的銅平面，將不得不添加一個(gè)過孔。過孔只不過是在PCB生產(chǎn)階段在PCB基材上鉆出的一個(gè)孔，該孔的內(nèi)層用銅填充，以使其能夠?qū)~跡線穿過PCB的不同層。

2、縫合孔

過孔縫合是一種用于將不同層上較大的銅區(qū)域連接在一起的技術(shù)，實(shí)際上可以通過電路板結(jié)構(gòu)創(chuàng)建牢固的垂直連接，有助于保持低阻抗和短返回環(huán)路。通孔縫合也可用于將可能與其網(wǎng)絡(luò)隔離的銅區(qū)域連接到該網(wǎng)絡(luò)。

PCB過孔縫合圖

二、縫合孔有什么用？

1、縫合孔增加電流容量

PCB 層上的銅軌道具有恒定的厚度。軌道可以安全承載的電流量取決于它的電阻，而電阻又取決于 它的橫截面積。如果橫截面積增加，其電阻減小，軌道可以承載更大的電流。在 PCB 上鋪設(shè)軌道時(shí)，設(shè)計(jì)人員只能調(diào)整其寬度以允許其承載預(yù)期電流，因?yàn)?PCB 層表面的銅厚度保持不變。然而，可以實(shí)現(xiàn)的軌道寬度是有限制的，因?yàn)榭赡苓€必須在同一空間內(nèi)布置額外的軌道。

縫合孔的作用-增加電流容量

通過并聯(lián)兩條軌道，可以將軌道電阻降低到單條軌道的一半，從而有效地將其載流能力提高一倍。為此，軌道必須在相鄰層上正交，必須使用多個(gè)過孔將它們連接或縫合在一起。設(shè)計(jì)人員通常 不會使用大過孔進(jìn)行拼接，而是使用大量的小過孔來降低整體電阻。

2、縫合孔提高熱傳遞

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大部分電子系統(tǒng)故障中有一半是由于熱量失控造成的。通過實(shí)施更好的熱管理，可以顯著減少電子系統(tǒng)故障的數(shù)量。使用 SMT 是改善熱傳遞的一種方法， 但電路板上銅箔的厚度和面積及其構(gòu)成材料和厚度的影響更大。通常，有源器件管芯中產(chǎn)生的熱量向下移動到導(dǎo)熱墊，然后轉(zhuǎn)移到 PCB 材料中。可以結(jié)合多種散熱機(jī)制來消除 PCB 上組件產(chǎn)生的熱量。通常，這些采取的形式通過銅箔的水平導(dǎo)熱路徑，然后是通過散熱孔的垂直導(dǎo)熱路徑，最后從 戰(zhàn)略性放置的散熱器中逸出。

縫合孔的作用-提高熱傳遞

緊密間隔或縫合的熱通孔提供了從 PCB 的頂部銅面到底部銅面的低熱阻路徑。在這一側(cè)， 銅平面上的散熱器有助于將熱量散發(fā)到周圍空氣中。過孔的熱阻直接取決于它們的數(shù)量和位置。將過孔放置在更靠近熱源的位置可以降低 熱阻并顯著改善散熱。使用這些散熱孔連接 PCB 頂面和底面的銅層 ，但它們也可以連接多層。

3、提高信號完整性

通過用緊密縫合的過孔封閉承載高速信號的軌道，可以精確定義其阻抗。為此，設(shè)計(jì)人員 在其兩側(cè)用銅焊盤封閉走線，同時(shí)在底層放置接地平面。兩個(gè)銅焊盤通過幾個(gè)縫合過孔連接到底部 接地平面，有效地將軌道變成外部微帶線。

縫合孔的作用-提高信號的完整性

在軌道上方的層中放置一個(gè)接地平面，并通過更多縫合過 孔將其連接到兩個(gè)銅焊盤和底部接地平面，將軌道變成內(nèi)部微帶線。由于過孔和接地層屏蔽了走線，它們密切地定義了走線的阻抗，并且走線可以傳輸高速信號，同時(shí)提高了信號完整性。同樣的計(jì)劃適用于隔離內(nèi)存總線、屏蔽模擬部分和任何處理傳感器的電路。用通孔定義電路的邊緣 有助于防止不規(guī)則形狀無意中變成輻射天線。

4、縫合孔改善EMI/EMC

在 PCB 周邊全縫合過孔有助于改善其 EMI/EMC 特性。放置了一個(gè)與電路板形狀大致相同的銅平面，但其尺寸比電路板輪廓小百分之幾英寸。使用稱為 3H 規(guī)則的經(jīng)驗(yàn)法則， 使任何信號層與最近的接地層保持三倍電介質(zhì)厚度的距離。這種方法有助于控制雜散發(fā)射 。此設(shè)計(jì)規(guī)則導(dǎo)致 PCB 的外邊緣僅包含接地形狀，而所有其他銅線都保留在內(nèi)部，遠(yuǎn)離邊緣

通過用多個(gè)過孔拼接頂層和底層的兩個(gè)地平面，整個(gè) PCB 形成一個(gè)鎖定的法拉第籠，大幅削減 降低 FCC 合規(guī)要求的所有諧波。

縫合孔的間距取決于它們必須抑制的頻率和合同制造商的能力。如果應(yīng)用需要合同制造商可能難以實(shí)現(xiàn)的非常緊密 的過孔間距，你可以在第一行內(nèi)放置第二行接地過孔。

三、縫合孔和屏蔽孔的區(qū)別？

PCB設(shè)計(jì)中有不同類型的過孔縫合工藝，這里主要是三種，通過下面的說明你就區(qū)分開縫合孔和屏蔽孔的區(qū)別。

恒定接地過孔拼接

熱通孔縫合

屏蔽通過縫合

1、通過縫合固定接地

這是大多數(shù) PCB 中最常用的 Via 拼接技術(shù)。接地層通過縫合完成，以確保PCB 中的接地返回路徑更短從負(fù)載設(shè)備到電源。因此，它保持了健康的接地返回路徑，從而在接地層中獲得低電阻。如果設(shè)計(jì)支持兩層以上的銅平面，則由于覆銅較大并且與頂層和底層或其他層連接，因此它產(chǎn)生的散熱較低，從而導(dǎo)致低抗跌落性。它使 PCB 中所有位置的銅電阻保持平衡。

因此，如果有人測量不同位置的接地層之間的電壓降，由于電阻不同，不同的電壓降會導(dǎo)致接地反彈問題。縫合孔非常有效，與調(diào)試 PCB 中的接地反彈故障相比，它的工作量很小。

在這個(gè)例子，我們使用接地平面上的通孔拼接技術(shù)制作了多個(gè)在工作階段成功的 PCB。這里僅舉個(gè)例子，其中一個(gè)成功使用了 Via 拼接。這是一些通過拼接顯示的圖像，用紅色突出顯示它們以便更好地理解。

通過縫合固定接地

不僅在地平面中，它還可以用于其他需要完美覆銅的地方?？p合孔用于接地平面以外的不同層。PCB的實(shí)際圖像如下所示。

通過縫合固定接地

2、熱通孔縫合

如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，基于 PCB 的散熱器在大多數(shù)情況下會更有用?；?PCB 的散熱器的一個(gè)關(guān)鍵組件是熱通孔縫合。已經(jīng)開展了多個(gè)項(xiàng)目，其中使用熱通孔縫合在多個(gè)銅平面（頂部和底部）上提供出色的導(dǎo)熱性。示例如下：

熱通孔縫合

在上面的 PCB 或其他 PCB 中，它非常有助于將熱量分布在銅平面上。由于 PCB 更有利于高功率組件所在的層段。它變得太熱，熱量僅從側(cè)面分布，而 PCB 核心和另一個(gè)相對層比有源走線保持涼爽。在這一點(diǎn)上進(jìn)行縫合使其具有更好的導(dǎo)熱性，從而進(jìn)一步將熱量散發(fā)到核心并進(jìn)一步散發(fā)到連接的相對平面，從而降低目標(biāo)高功率組件的整體結(jié)溫。

3、屏蔽孔

出于 EMI 相關(guān)原因，在高頻射頻或混合信號電路上進(jìn)行過孔屏蔽，主要是在 WiFi、藍(lán)牙和其他可能因 EMI 干擾而受到影響的寬帶高頻元件中。它也被稱為PCB 柵欄。

通常，它是使用單排或多排通孔創(chuàng)建的，這些通孔縫合在距離高頻軌道太近的大銅平面的周邊。下面給出的設(shè)計(jì)在 4 層電路板上使用了 屏蔽孔。

屏蔽孔

正如我們所看到的，它是在距離 WiFi 模塊天線太近的地平面周邊完成的。通常，建議在射頻板上使用屏蔽通孔拼接，其中通孔的間距至少為需要屏蔽接口的最高頻率的目標(biāo)波長的 1/10。在某些實(shí)踐中，它也使用 1/8 的空間來完成。但主要注意的是保持通孔間距小于襯底電介質(zhì)中的波長。

四、縫合孔如何單獨(dú)操作？

1、應(yīng)用縫合孔

大多數(shù) EDA 工具都會提供一些機(jī)制來自動將兩個(gè)銅澆注縫合在一起。用戶的第一個(gè)決定是是否在銅洪水中包括島嶼。孤島是一個(gè)浸銅區(qū)域，它在其層上沒有連接到網(wǎng)絡(luò)，但在縫合到其他覆銅時(shí)將獲得網(wǎng)絡(luò)連接。在 Proteus Design Suite 中，抑制孤島復(fù)選框用于在放置電源層時(shí)控制覆銅。

應(yīng)用縫合孔

一旦定義了兩個(gè)層上的泛洪區(qū)域，用戶將調(diào)用 via stitching 命令。通常，配置對話框?qū)⒃试S選擇通孔樣式和通孔之間的最小間隙，然后軟件將負(fù)責(zé)通孔放置。配置完成后，這通常會縫合兩個(gè)平面的整個(gè)公共區(qū)域。

應(yīng)用縫合孔

雖然這聽起來很明顯，但最常見的用戶錯誤之一是在布局包中過早地將平面縫合在一起。完全縫合的 PCB 會使布線走線更加困難，因此，除非有充分的理由，否則應(yīng)始終在布線完成后執(zhí)行縫合。

如何在 Altium Designer 中向 PCB 添加過孔拼接和過孔屏蔽，可以在以下鏈接進(jìn)行觀看：https://www.altium.com/documentation/altium-designer/via-stitching-via-shielding-pcb

2、應(yīng)用屏蔽孔

屏蔽孔，有時(shí)稱為過孔柵欄或尖樁柵欄，遵循與縫合過孔相同的原則，但往往由軌道或覆銅邊界周圍的單排周邊過孔組成。這些幾乎總是用于隔離以不同頻率運(yùn)行的電路板區(qū)域，并用于如上所述的 EMI 控制。

在程序上，你將以幾乎相同的方式應(yīng)用屏蔽過孔。如果將過孔應(yīng)用于覆銅周邊，你可以選擇要屏蔽的軌道或電源層。然后從上下文菜單啟動 via shielding 對話框，并以與 via stitching 相同的方式進(jìn)行配置。

應(yīng)用屏蔽孔

3、縫合孔應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

1）PCB 制造

如果電路板將在高電流下運(yùn)行時(shí)非常熱，最好探索其他能夠承受更高工作溫度的材料。盡管這些材料可能更昂貴，但從長遠(yuǎn)來看，它們可能會避免與熱相關(guān)的問題，從而最終為節(jié)省開支。還應(yīng)該與你的制造商合作，為高電流電路板開發(fā)最佳層堆疊配置和電源平面策略。

2）電路板厚度

通過增加電路板的厚度，你可以增加銅的重量，從而使走線更粗。這可能允許減小走線寬度，從而留出更多布線和元件放置空間。與任何制造問題一樣，在將這些更改納入設(shè)計(jì)之前，應(yīng)與你的制造商達(dá)成一致。

3）自動化裝配

正如我們所見，由于電和熱原因，更高的電流需要更多的金屬。但與此同時(shí)，在操作過程中散發(fā)不需要的熱量的同一種金屬也可能給 PCB 組裝帶來問題。大面積的金屬會對較小的零件造成熱不平衡，從而影響它們的焊接。為避免這種情況，請確保在將零件直接連接到寬走線或大面積金屬時(shí)使用散熱裝置。

4）元件放置

如果可以避免，承載高電流和發(fā)熱的元件不應(yīng)放置在板的邊緣。通過將這些部件放置得更靠近電路板的中心，電路板自然散發(fā)的熱量就有更大的空間。

以上就是關(guān)于PCB縫合孔的簡單介紹，希望能夠?qū)Υ蠹矣杏?，歡迎大家多多指教。