揭晓过孔对高频信号传输的影响

[导读]过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右，比如50 欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6 欧姆(具体和过孔的尺寸，板厚也有关，不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的，其反射系数仅为：(44-50)/(44+50)=0.06，过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。

过孔(Via)寄生参数指的是在PCB电路板中通过层与层间进行信号传输或连接电路元件时所使用的通孔。过孔对高频信号传输的影响主要体现在信号损耗、阻抗突变和反射损耗三个方面，具体影响与孔径大小密切相关：

信号损耗

在高频频段(如28GHz)，孔径越大，信号损耗越明显。例如，0.3mm孔径的过孔每厘米损耗比0.2mm孔径高2.1dB，这种差异在长距离传输中会被放大。大孔径导致孔壁铜层电流路径更长，趋肤效应增强，同时与周围介质的电磁耦合更强，介质损耗也随之上升。采用0.15mm激光孔可降低损耗1.8dB。 ‌

阻抗突变

孔径直接影响阻抗连续性。例如，50Ω传输线经过0.3mm孔径过孔时，阻抗会出现±10Ω突变;而0.2mm孔径的阻抗波动仅±5Ω。这种突变会导致40%的信号能量反射回源端，恶化传输质量。 ‌

谐振效应

未去除的过孔残留段(Stub)会形成谐振腔，导致损耗骤增。例如，0.4mm孔径的Stub在8GHz产生谐振峰;而0.2mm孔径的谐振峰出现在15GHz，覆盖更多高频场景。采用背钻工艺去除Stub并控制残留长度≤0.3mm，可使谐振峰衰减10dB以上。 ‌

基材差异

低损耗基材(如Rogers 4350)可弱化孔径带来的损耗差异。例如，0.3mm与0.2mm孔径的损耗差异比普通FR-4基材小30%。 ‌

补偿方案

‌阻抗补偿‌：通过缩小过孔周围传输线线宽(如从5mil减至4.5mil)或添加接地过孔改善回流通道。 ‌

‌工艺优化‌：采用背钻工艺去除Stub，配合0.2mm孔径实现更优高频性能。

过孔的基本概念

过孔(via)是多层PCB 的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB 制板费用的30%到40%。简单的说来，PCB 上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。

第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。

从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔(drill hole),二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然，在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置;且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如，如果一块正常的6 层PCB 板的厚度(通孔深度)为50Mil，那么，一般条件下PCB 厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸也可以越来越小，一般直径小于等于6Mils 的过孔，我们就称为微孔。在HDI(高密度互连结构)设计中经常使用到微孔，微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上(Via-in-pad)，这大大提高了电路性能，节约了布线空间。

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右，比如50 欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6 欧姆(具体和过孔的尺寸，板厚也有关，不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的，其反射系数仅为：(44-50)/(44+50)=0.06，过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。

过孔(Via)在PCB多层板设计中被广泛应用，但过孔若是处理不当，很有可能对高频信号传输产生不良影响，所以工程师在设计高频电路时，若是要用到过孔，需要知道以下的知识。

从作用上来看，过孔的作用大致上可归类为：用作各层间的电气连接和用作器件的固定或定位;从工艺支撑上来看，过孔可分为盲孔、埋孔及通孔。

盲孔位于PCB板的顶层和底层表面，具有一定的深度，常用于表层线路和下面的内层线路的连接，注意孔的深度不超过一定的比率(孔径);而埋孔是指位于PCB板内层的连接孔，不会延伸到线路板的表面，盲孔及埋孔都位于PCB板内层，，而通孔是横穿过整个线路板，它的功能是用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔，由于通孔在个以上更容易实现，且成本较低，所以很多电路板会采用通孔，下面所说的过孔，若没有特殊说明，均作为通孔考虑。

一般来说，过孔的尺寸大小将由中间钻孔及钻孔周围的焊盘区所决定，在高速高密度PCB设计时，国控越小越好，因为可以留出更多的布线空间，而且自身寄生电容更小。

同时呢，过孔的设置也要注意以下几方面：

电感和电容：过孔的存在会引入额外的电感和电容。这些电感和电容值可能较小，但在高频信号传输中会产生显著的影响。电感会导致信号的延迟，而电容则会降低信号的带宽。

串扰和反射：过孔可以导致信号串扰和反射。串扰是因为信号在过孔附近的地区传播，可能干扰其他信号线。反射是因为信号在过孔处会部分反射回去，引起波形失真。

阻抗匹配：过孔的存在会改变信号线的阻抗。在高频电路中，阻抗匹配非常重要，因为不匹配的阻抗会导致信号反射和丧失。电子工程师需要采取措施来确保过孔的影响不会破坏阻抗匹配。

损耗：过孔的存在还会引入信号的额外损耗。这种损耗可能不明显，但在高频应用中需要仔细考虑。

布局和设计：考虑过孔的位置和布局对于减小其影响至关重要。合理的布局可以减小串扰和反射，同时确保信号线的阻抗匹配。

信号损耗：孔径是 “高频信号的衰减器”

在高频频段，过孔孔径的大小直接决定信号的衰减程度。PCB 批量厂家的插入损耗测试显示，在 28GHz 频段，0.3mm 孔径的过孔每厘米损耗比 0.2mm 孔径高 2.1dB，这种差异在长距离传输中会被急剧放大。这源于两个核心因素：大孔径的孔壁铜层电流路径更长，趋肤效应导致的导体损耗增加;同时，大孔径与周围介质的电磁耦合更强，介质损耗也随之上升。某 PCB 批量厂家为 28GHz 毫米波雷达设计的 0.15mm 激光孔，使信号传输损耗降低 1.8dB，远超设计预期。

过孔的 “Stub 效应” 与孔径密切相关。未去除的过孔残留段(Stub)会形成谐振腔，0.4mm 孔径的 Stub 在 8GHz 时就会产生谐振峰，导致损耗骤增;而 0.2mm 孔径的 Stub 谐振峰出现在 15GHz，能覆盖更多高频场景。PCB 批量厂家的解决方案是：对 10GHz 以上信号，采用背钻工艺去除 Stub，且残留长度控制在 0.3mm 以内，配合 0.2mm 孔径，可使谐振峰衰减 10dB 以上。

不同基材下的孔径损耗差异明显。在低损耗基材(如 Rogers 4350)上，0.3mm 与 0.2mm 孔径的损耗差异比普通 FR-4 小 30%。这是因为高频基材的介质损耗更低，弱化了孔径带来的损耗差异。

阻抗匹配：孔径决定 “信号反射的强度”

过孔孔径是阻抗不连续的重要来源，直接影响信号反射的强弱。PCB 批量厂家的阻抗测试数据显示，50Ω 传输线经过 0.3mm 孔径过孔时，阻抗会出现 ±10Ω 的突变;而 0.2mm 孔径的过孔阻抗波动仅 ±5Ω。这种突变在高速信号传输中会产生严重反射 ——10GHz 信号经过 0.4mm 孔径过孔后，反射损耗会从 - 20dB 恶化至 - 12dB，相当于 40% 的信号能量被反射回源端。

不同孔径的阻抗补偿方案差异显著。对于 0.3mm 孔径，PCB 批量厂家通常会将过孔周围的传输线线宽缩减 10%(如从 5mil 减至 4.5mil)，通过降低传输线阻抗抵消过孔的高阻抗突变;而 0.2mm 孔径仅需缩减 5%，补偿难度明显降低。某通信 PCB 批量厂家的实践证明，经过优化的 0.2mm 孔径过孔，能使 10GHz 信号的反射损耗控制在 - 25dB 以下，远优于未补偿的 0.3mm 孔径。

过孔焊盘尺寸与孔径的匹配同样关键。行业共识是焊盘直径应为孔径的 2-2.5 倍，例如 0.2mm 孔径搭配 0.4-0.5mm 焊盘，0.3mm 孔径搭配 0.6-0.75mm 焊盘。PCB 批量厂家的仿真分析显示，当焊盘与孔径比小于 1.5 倍时，阻抗突变会增加 50%，这是很多工程师容易忽视的细节。

信号串扰：孔径影响 “高频信号的隔离度”

在密集布线的高频 PCB 中，过孔孔径的大小直接影响信号间的串扰水平。PCB 批量厂家的串扰测试显示，10GHz 信号通过 0.3mm 孔径过孔时，与相邻过孔的串扰比 0.2mm 孔径高 8dB，这是因为大孔径的电磁场分布范围更广，更容易与邻近信号产生耦合。某高速 SerDes 总线 PCB 通过将过孔孔径从 0.3mm 缩至 0.2mm，使串扰从 - 20dB 降至 - 28dB，满足了 10Gbps 信号的传输要求。

过孔间距与孔径的比例是串扰控制的关键。PCB 批量厂家的经验公式是：过孔间距≥5 倍孔径，例如 0.2mm 孔径的过孔间距需≥1mm，0.3mm 孔径需≥1.5mm。当这个比例小于 3 时，串扰会急剧增加 —— 某 PCB 批量厂家的测试显示，0.3mm 孔径按 0.8mm 间距排列时，串扰比 1.5mm 间距高 12dB，完全超出可接受范围。

接地过孔的孔径影响隔离效果。0.2mm 接地过孔比 0.3mm 孔径的分布电容高 40%，能更有效地吸收泄漏的电磁能量，增强对相邻信号的隔离。某 PCB 批量厂家在高速差分对之间布置 0.2mm 接地过孔(间距 0.5mm)，使串扰降低 15dB，远优于 0.3mm 接地过孔的效果。

高频孔径优化方案

针对不同速率的高频信号，PCB 批量厂家总结出精准的孔径选择方案：

5-10GHz 信号：推荐 0.2-0.25mm 孔径，焊盘直径 0.4-0.5mm，Stub 长度<0.5mm，配合 1 盎司铜箔和低损耗基材，可将反射损耗控制在 - 20dB 以下，插入损耗<1.5dB/cm。某 PCB 批量厂家为 5G 基站设计的该方案，使 6GHz 信号的眼图张开度提升 30%。

10-28GHz 信号：必须采用 0.15-0.2mm 激光钻孔，焊盘直径 0.3-0.4mm，强制背钻去除 Stub，铜箔厚度减至 1/2 盎司以减少导体损耗。测试显示，这种方案能满足 28GHz 信号的误码率要求(<1e-12)。

28GHz 以上信号：孔径≤0.15mm，采用镀银工艺降低孔壁电阻，过孔间距≥3mm 避免串扰，同时在过孔周围设置接地屏蔽环(0.3mm 宽，间隔 0.2mm)。某雷达 PCB 批量厂家的方案使 77GHz 信号的传输损耗降低 3dB，满足远距离探测需求。

批量生产提示：激光钻孔的 0.15mm 孔径良率对设备精度要求极高，PCB 批量厂家建议订单量≥5000 块时采用，小批量可放宽至 0.2mm 孔径，平衡成本与性能。

1、阻抗不连续性

过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点。

一般过孔等效阻抗比传输线低约12%，会导致信号在通过过孔时阻抗减小，例如50欧姆传输线阻抗可能减小6欧姆。

阻抗不连续会造成轻微的信号反射，但其反射系数较小，通常为0.06左右。

2、寄生电容和电感

过孔的存在会增加额外的寄生电容和电感。

寄生电容随着过孔尺寸的减小而减小，有利于高速电路的应用。

过孔产生的寄生效应可能对信号传输质量造成影响，特别是在高频信号传输时更为明显。

3、成本与技术限制