過孔的設計孔徑是真的很重要，但高速先生也是真的不關心
發布時間：2025-01-20 17:28:51
高速先生成員-- 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，整一篇簡單但很實用的文章給大伙瞧瞧好了。相信這個標題一出來，尤其對于PCB設計工程師來說，心就立馬涼了半截。他們辛辛苦苦進行PCB的過孔設計，高速先生居然說設計多大的過孔他們不關心！另外估計這時候就跳出很多“挑刺”的粉絲了哈，因為翻看很多以往的文章，高速先生都表達了過孔孔徑對高速性能的影響是很大的哦！咋滴，今天居然說孔徑不關心了？別，別急哈，聽高速先生在這篇文章中娓娓道來。首先還是要對各位設計工程師的設計表示肯定，畢竟像我們公司有非常非常多資深的設計工程師，在現在行業內動不動就二三十層的高速項目板盛行的年代，我們工程師每塊都完成的非常出色。正如上篇文章《鏈接文章不是！讓高速先生給個過孔優化方案咋就那么難嗎？》所言，過孔的很多參數都影響了高速的性能。但是只要是多層板就肯定會有過孔嘛，說明工程師們對于高速過孔的設計還是非常的到位的，必須要先點個贊！
設計孔徑、完成孔徑和鉆孔孔徑這三個孔徑到底一樣不一樣嘛？那我們先說說設計工程師接觸最多的設計孔徑唄。我們以一個測試板上的差分過孔的設計和仿真包括加工來給大家理清這三個名字哈！
首先對于設計工程師來說，在layout版圖上打的過孔的直徑就稱為設計孔徑，就像下面這對差分設計例子一樣，設計工程師打了一對差分過孔，然后去show過孔的屬性，看到過孔的孔徑是8mil，這個8mil就是設計孔徑了。
設計孔徑估計大家都知道，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，其實在Z方向上還不是導通的，需要在電鍍這個環節把過孔孔壁鍍上銅，這樣就是導通的過孔。鉆刀長啥樣？其實就和你們平時看到的螺絲刀也大差不差，就是這樣子的。
IPC的標準會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。我們也可以在設計文件輸出的鉆孔表上看到對完成孔徑的描述。
咦，這不和設計孔徑一個概念嘛！的確，對于設計工程師來說，會把設計孔徑和完成孔徑等同起來。就像上面那對差分過孔，設計孔徑是8mil，在這個鉆孔表上顯示的完成孔徑也是8mil。事實上，設計孔徑和完成孔徑其實也不是一定一樣哈，加工上還是要看看電鍍之后的情況，只不過我們可以認為大體一致而已。
好，那最后就是鉆到孔徑了哈。其實上面已經說到了，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，就是這把鉆刀的直徑了。由于鉆刀鉆完后要進行過孔電鍍，電鍍后的孔徑是完成孔徑，然后設計工程師又把設計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≈設計孔徑了。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別。
媽呀，說了那么多都沒進入SI的正題啊！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計孔徑不關心這個說法啦！馬上安排哈，我們把上面的這對差分過孔提取到3D模型里去，就是下面這個了。
按照常規板廠的流程，如果設計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用10mil的鉆刀進行鉆孔，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看看標注的位置哈！
為什么我們說不關心設計孔徑也就是上圖紅色標注的直徑是多大呢？我們首先對上面這個模型進行仿真，仿真結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果做成一個動圖，就是下面這個。
哪里是重點呢？我們可以看看藍色的位置，也就是沒有電磁場能量分布的地方。然后大家就會驚奇的發現，在過孔的內壁居然是沒有能量分布的！
當然大家會驚訝是因為可能不知道一個SI的基本理論，那就是趨膚效應。用通俗易懂的話翻譯就是，當傳輸的信號達到了一定頻率之后，能量就不會像直流一樣均勻分布在過孔的每個角落了，而是會慢慢集中到過孔的外表面去。哪個面算外表面呢？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MHz的低頻開始，就有比較強的趨膚效應了。
既然能量都不會在過孔的內表面走，沒有能量到的地方就意味著這個地方不影響過孔的性能。內表面是哪里呢？說的就是過孔的完成孔徑，也就是工程師說的設計孔徑的位置了。
那既然能量都集中到了外表面，就不難得出結論，到底是哪個孔徑對過孔的影響最大了吧。必須就是鉆孔孔徑了。剛剛也說了，對于8mil的設計孔徑而言，大多數一線板廠會用10mil的鉆刀去鉆孔，如果是二線的板廠用更大的鉆刀就對過孔的影響可就大了。我們再建一個模型，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個歐姆！對，你沒看錯，有接近10個歐姆的差異！
這就是高速先生所說的我們不關心高速過孔的設計孔徑的來龍去脈了。其實這個案例一方面是設計工程師不了解鉆孔孔徑才是對過孔產生最大影響的因素這個問題點，另一方面，對過孔的加工過程也不夠了解。對于板廠來說，如果能用更大的鉆刀進行鉆孔，就相當于放松了加工厚徑比的要求，降低了加工難度。但是從信號質量角度說，明顯我們看到鉆孔孔徑的加大對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期的更小鉆刀去鉆孔的問題了。所以友情提示一下，假設你們設計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，絕對不會讓大家失望！
