芯耀
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公眾號(hào) | 高速先生，作者 | 黃剛
這不馬上就要過年了嘛，高速先生就不打算給大家上難度了，整一篇簡單但很實(shí)用的文章給大伙瞧瞧好了。
相信這個(gè)標(biāo)題一出來，尤其對(duì)于PCB設(shè)計(jì)工程師來說，心就立馬涼了半截。他們辛辛苦苦進(jìn)行PCB的過孔設(shè)計(jì)，高速先生居然說設(shè)計(jì)多大的過孔他們不關(guān)心！另外估計(jì)這時(shí)候就跳出很多“挑刺”的粉絲了哈，因?yàn)榉春芏嘁酝奈恼?，高速先生都表達(dá)了過孔孔徑對(duì)高速性能的影響是很大的哦！咋滴，今天居然說孔徑不關(guān)心了？別，別急哈，聽高速先生在這篇文章中娓娓道來。
首先還是要對(duì)各位設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)表示肯定，畢竟像我們公司有非常非常多資深的設(shè)計(jì)工程師，在現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)動(dòng)不動(dòng)就二三十層的高速項(xiàng)目板盛行的年代，我們工程師每塊都完成的非常出色。正如上篇文章《不是！讓高速先生給個(gè)過孔優(yōu)化方案咋就那么難嗎？》所言，過孔的很多參數(shù)都影響了高速的性能。但是只要是多層板就肯定會(huì)有過孔嘛，說明工程師們對(duì)于高速過孔的設(shè)計(jì)還是非常的到位的，必須要先點(diǎn)個(gè)贊！
設(shè)計(jì)孔徑、完成孔徑和鉆孔孔徑這三個(gè)孔徑到底一樣不一樣嘛？那我們先說說設(shè)計(jì)工程師接觸最多的設(shè)計(jì)孔徑唄。我們以一個(gè)測(cè)試板上的差分過孔的設(shè)計(jì)和仿真包括加工來給大家理清這三個(gè)名字哈！
首先對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，在layout版圖上打的過孔的直徑就稱為設(shè)計(jì)孔徑，就像下面這對(duì)差分設(shè)計(jì)例子一樣，設(shè)計(jì)工程師打了一對(duì)差分過孔，然后去show過孔的屬性，看到過孔的孔徑是8mil，這個(gè)8mil就是設(shè)計(jì)孔徑了。
設(shè)計(jì)孔徑估計(jì)大家都知道，那么完成孔徑呢？啥叫完成孔徑啊，到底完成了啥？我們知道過孔用鉆刀鉆完之后，其實(shí)在Z方向上還不是導(dǎo)通的，需要在電鍍這個(gè)環(huán)節(jié)把過孔孔壁鍍上銅，這樣就是導(dǎo)通的過孔。鉆刀長啥樣？其實(shí)就和你們平時(shí)看到的螺絲刀也大差不差，就是這樣子的。
IPC的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)告訴我們過孔電鍍的厚度在0.7mil左右。所以完成孔徑就是過孔電鍍后的孔徑了。我們也可以在設(shè)計(jì)文件輸出的鉆孔表上看到對(duì)完成孔徑的描述。
咦，這不和設(shè)計(jì)孔徑一個(gè)概念嘛！的確，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，會(huì)把設(shè)計(jì)孔徑和完成孔徑等同起來。就像上面那對(duì)差分過孔，設(shè)計(jì)孔徑是8mil，在這個(gè)鉆孔表上顯示的完成孔徑也是8mil。事實(shí)上，設(shè)計(jì)孔徑和完成孔徑其實(shí)也不是一定一樣哈，加工上還是要看看電鍍之后的情況，只不過我們可以認(rèn)為大體一致而已。
好，那最后就是鉆到孔徑了哈。其實(shí)上面已經(jīng)說到了，那就是一開始用上面的那把鉆刀鉆的那一下的孔徑，再說白一點(diǎn)，就是這把鉆刀的直徑了。由于鉆刀鉆完后要進(jìn)行過孔電鍍，電鍍后的孔徑是完成孔徑，然后設(shè)計(jì)工程師又把設(shè)計(jì)孔徑和完成孔徑等同起來。所以孔徑大小來排序的話，那就是鉆刀孔徑>完成孔徑≈設(shè)計(jì)孔徑了。下面是一張切片的過孔圖，能清晰的看到鉆刀孔徑和完成孔徑的區(qū)別。
媽呀，說了那么多都沒進(jìn)入SI的正題??！粉絲都不耐煩啦，紛紛等著高速先生怎么解釋自己說過的設(shè)計(jì)孔徑不關(guān)心這個(gè)說法啦！馬上安排哈，我們把上面的這對(duì)差分過孔提取到3D模型里去，就是下面這個(gè)了。
按照常規(guī)板廠的流程，如果設(shè)計(jì)工程師在版圖上約束完成孔徑是8mil的話，那么大部分一線的板廠會(huì)用10mil的鉆刀進(jìn)行鉆孔，然后把電鍍后的過孔做到我們要求的8mil。所以我們從俯視圖就能看到鉆刀孔徑比完成孔徑大2mil的直徑。下圖大家可以放大來仔細(xì)看看標(biāo)注的位置哈！
為什么我們說不關(guān)心設(shè)計(jì)孔徑也就是上圖紅色標(biāo)注的直徑是多大呢？我們首先對(duì)上面這個(gè)模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后不急著看過孔的阻抗，先看看電磁場在過孔的分布情況。為了讓大家有更直觀的感受，我們把電磁場在過孔的分布結(jié)果做成一個(gè)動(dòng)圖，就是下面這個(gè)。
哪里是重點(diǎn)呢？我們可以看看藍(lán)色的位置，也就是沒有電磁場能量分布的地方。然后大家就會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)，在過孔的內(nèi)壁居然是沒有能量分布的！
當(dāng)然大家會(huì)驚訝是因?yàn)榭赡懿恢酪粋€(gè)SI的基本理論，那就是趨膚效應(yīng)。用通俗易懂的話翻譯就是，當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)達(dá)到了一定頻率之后，能量就不會(huì)像直流一樣均勻分布在過孔的每個(gè)角落了，而是會(huì)慢慢集中到過孔的外表面去。哪個(gè)面算外表面呢？就是靠近回流地過孔方向的那一面。然后一定頻率是多少呢？真的低到大家不信，基本上從幾百M(fèi)Hz的低頻開始，就有比較強(qiáng)的趨膚效應(yīng)了。
既然能量都不會(huì)在過孔的內(nèi)表面走，沒有能量到的地方就意味著這個(gè)地方不影響過孔的性能。內(nèi)表面是哪里呢？說的就是過孔的完成孔徑，也就是工程師說的設(shè)計(jì)孔徑的位置了。
那既然能量都集中到了外表面，就不難得出結(jié)論，到底是哪個(gè)孔徑對(duì)過孔的影響最大了吧。必須就是鉆孔孔徑了。剛剛也說了，對(duì)于8mil的設(shè)計(jì)孔徑而言，大多數(shù)一線板廠會(huì)用10mil的鉆刀去鉆孔，如果是二線的板廠用更大的鉆刀就對(duì)過孔的影響可就大了。我們?cè)俳ㄒ粋€(gè)模型，模擬用12mil的選鉆刀去鉆孔，但是同樣也能電鍍成8mil的完成孔徑，也就是它這樣搞其實(shí)也沒違反我們的約束的case。
我們仿真10mil鉆刀和12mil鉆刀去鉆孔，然后都電鍍成8mil的兩個(gè)過孔模型的性能。從TDR阻抗的角度上，12mil的鉆孔阻抗差不多比10mil鉆孔低10個(gè)歐姆！對(duì)，你沒看錯(cuò)，有接近10個(gè)歐姆的差異！
這就是高速先生所說的我們不關(guān)心高速過孔的設(shè)計(jì)孔徑的來龍去脈了。其實(shí)這個(gè)案例一方面是設(shè)計(jì)工程師不了解鉆孔孔徑才是對(duì)過孔產(chǎn)生最大影響的因素這個(gè)問題點(diǎn)，另一方面，對(duì)過孔的加工過程也不夠了解。對(duì)于板廠來說，如果能用更大的鉆刀進(jìn)行鉆孔，就相當(dāng)于放松了加工厚徑比的要求，降低了加工難度。但是從信號(hào)質(zhì)量角度說，明顯我們看到鉆孔孔徑的加大對(duì)過孔性能的影響是巨大的，因此問題就變成了板廠能不能用我們預(yù)期的更小鉆刀去鉆孔的問題了。所以友情提示一下，假設(shè)你們?cè)O(shè)計(jì)8mil的過孔，板廠的EQ回來寫著用12mil的鉆刀去鉆，最后電鍍成8mil，大家千萬別隨便同意哦！最后再加上一句哈，對(duì)于厚徑比的加工要求，我們板廠是非常有信心的，有需求的粉絲可以咨詢下我們板廠的加工能力哈，絕對(duì)不會(huì)讓大家失望！
Q、本期提問：大家知道上面說的厚徑比是什么意思嗎，另外有了解常規(guī)板廠的通孔厚徑比大概做到什么水平嗎？
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