過(guò)孔對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)在信號(hào)損耗、阻抗匹配和電磁干擾三個(gè)方面：

信號(hào)損耗

孔徑大小直接影響高頻信號(hào)的衰減程度。例如，在28GHz頻段，0.3mm孔徑的過(guò)孔每厘米損耗比0.2mm孔徑高2.1dB，這種差異在長(zhǎng)距離傳輸中會(huì)被放大。大孔徑因孔壁銅層電流路徑更長(zhǎng)、電磁耦合更強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗均增加。采用0.15mm激光孔可降低1.8dB損耗。 ?

阻抗匹配

孔徑是阻抗不連續(xù)的重要來(lái)源，直接影響信號(hào)反射強(qiáng)度。例如，50Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)經(jīng)過(guò)0.3mm孔徑過(guò)孔時(shí)，阻抗突變可達(dá)±10Ω;而0.2mm孔徑的阻抗波動(dòng)僅±5Ω。10GHz信號(hào)經(jīng)過(guò)0.4mm孔徑過(guò)孔后，反射損耗會(huì)從-20dB惡化至-12dB，相當(dāng)于40%的信號(hào)能量被反射回源端。 ?

電磁干擾

大孔徑過(guò)孔的Stub殘留(未去除的過(guò)孔段)會(huì)形成諧振腔，導(dǎo)致高頻信號(hào)損耗驟增。例如，0.4mm孔徑的Stub在8GHz時(shí)產(chǎn)生諧振峰，而0.2mm孔徑的Stub諧振峰出現(xiàn)在15GHz，覆蓋更多高頻場(chǎng)景。采用背鉆工藝去除Stub并配合0.2mm孔徑，可使諧振峰衰減10dB以上。 ?

優(yōu)化建議

?高頻場(chǎng)景?(如5G通信、毫米波雷達(dá))：優(yōu)先選用0.2mm孔徑，并通過(guò)背鉆工藝控制Stub殘留長(zhǎng)度≤0.3mm。 ?

?低損耗基材?(如Rogers 4350)：孔徑差異影響較小，但仍建議采用小孔徑以降低損耗。 ?

?回流地過(guò)孔?：在信號(hào)過(guò)孔周?chē)砑咏拥剡^(guò)孔，可改善阻抗連續(xù)性并減少電磁輻射。 ?

過(guò)孔的基本概念

過(guò)孔(via)是多層PCB 的重要組成部分之一，鉆孔的費(fèi)用通常占PCB 制板費(fèi)用的30%到40%。簡(jiǎn)單的說(shuō)來(lái)，PCB 上的每一個(gè)孔都可以稱(chēng)之為過(guò)孔。從作用上看，過(guò)孔可以分成兩類(lèi)：一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位。如果從工藝制程上來(lái)說(shuō)，這些過(guò)孔一般又分為三類(lèi)，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線(xiàn)路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線(xiàn)路和下面的內(nèi)層線(xiàn)路的連接，孔的深度通常不超過(guò)一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線(xiàn)路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線(xiàn)路板的表面。上述兩類(lèi)孔都位于線(xiàn)路板的內(nèi)層，層壓前利用通孔成型工藝完成，在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。

第三種稱(chēng)為通孔，這種孔穿過(guò)整個(gè)線(xiàn)路板，可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以絕大部分印刷電路板均使用它，而不用另外兩種過(guò)孔。以下所說(shuō)的過(guò)孔，沒(méi)有特殊說(shuō)明的，均作為通孔考慮。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)過(guò)孔主要由兩個(gè)部分組成，一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周?chē)暮副P(pán)區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過(guò)孔的大小。很顯然，在高速,高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線(xiàn)空間，此外，過(guò)孔越小，其自身的寄生電容也越小，更適合用于高速電路。但孔尺寸的減小同時(shí)帶來(lái)了成本的增加，而且過(guò)孔的尺寸不可能無(wú)限制的減小，它受到鉆孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術(shù)的限制：孔越小，鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過(guò)鉆孔直徑的6倍時(shí)，就無(wú)法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，如果一塊正常的6 層PCB 板的厚度(通孔深度)為50Mil，那么，一般條件下PCB 廠(chǎng)家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展，鉆孔的尺寸也可以越來(lái)越小，一般直徑小于等于6Mils 的過(guò)孔，我們就稱(chēng)為微孔。在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔，微孔技術(shù)可以允許過(guò)孔直接打在焊盤(pán)上(Via-in-pad)，這大大提高了電路性能，節(jié)約了布線(xiàn)空間。

過(guò)孔在傳輸線(xiàn)上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)造成信號(hào)的反射。一般過(guò)孔的等效阻抗比傳輸線(xiàn)低12%左右，比如50 歐姆的傳輸線(xiàn)在經(jīng)過(guò)過(guò)孔時(shí)阻抗會(huì)減小6 歐姆(具體和過(guò)孔的尺寸，板厚也有關(guān)，不是絕對(duì)減小)。但過(guò)孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的，其反射系數(shù)僅為：(44-50)/(44+50)=0.06，過(guò)孔產(chǎn)生的問(wèn)題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

過(guò)孔(Via)在PCB多層板設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，但過(guò)孔若是處理不當(dāng)，很有可能對(duì)高頻信號(hào)傳輸產(chǎn)生不良影響，所以工程師在設(shè)計(jì)高頻電路時(shí)，若是要用到過(guò)孔，需要知道以下的知識(shí)。

從作用上來(lái)看，過(guò)孔的作用大致上可歸類(lèi)為：用作各層間的電氣連接和用作器件的固定或定位;從工藝支撐上來(lái)看，過(guò)孔可分為盲孔、埋孔及通孔。

盲孔位于PCB板的頂層和底層表面，具有一定的深度，常用于表層線(xiàn)路和下面的內(nèi)層線(xiàn)路的連接，注意孔的深度不超過(guò)一定的比率(孔徑);而埋孔是指位于PCB板內(nèi)層的連接孔，不會(huì)延伸到線(xiàn)路板的表面，盲孔及埋孔都位于PCB板內(nèi)層，，而通孔是橫穿過(guò)整個(gè)線(xiàn)路板，它的功能是用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔，由于通孔在個(gè)以上更容易實(shí)現(xiàn)，且成本較低，所以很多電路板會(huì)采用通孔，下面所說(shuō)的過(guò)孔，若沒(méi)有特殊說(shuō)明，均作為通孔考慮。

一般來(lái)說(shuō)，過(guò)孔的尺寸大小將由中間鉆孔及鉆孔周?chē)暮副P(pán)區(qū)所決定，在高速高密度PCB設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)控越小越好，因?yàn)榭梢粤舫龈嗟牟季€(xiàn)空間，而且自身寄生電容更小。

同時(shí)呢，過(guò)孔的設(shè)置也要注意以下幾方面：

電感和電容： 過(guò)孔的存在會(huì)引入額外的電感和電容。這些電感和電容值可能較小，但在高頻信號(hào)傳輸中會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。電感會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的延遲，而電容則會(huì)降低信號(hào)的帶寬。

串?dāng)_和反射： 過(guò)孔可以導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_和反射。串?dāng)_是因?yàn)樾盘?hào)在過(guò)孔附近的地區(qū)傳播，可能干擾其他信號(hào)線(xiàn)。反射是因?yàn)樾盘?hào)在過(guò)孔處會(huì)部分反射回去，引起波形失真。

阻抗匹配： 過(guò)孔的存在會(huì)改變信號(hào)線(xiàn)的阻抗。在高頻電路中，阻抗匹配非常重要，因?yàn)椴黄ヅ涞淖杩箷?huì)導(dǎo)致信號(hào)反射和喪失。電子工程師需要采取措施來(lái)確保過(guò)孔的影響不會(huì)破壞阻抗匹配。

損耗： 過(guò)孔的存在還會(huì)引入信號(hào)的額外損耗。這種損耗可能不明顯，但在高頻應(yīng)用中需要仔細(xì)考慮。

布局和設(shè)計(jì)： 考慮過(guò)孔的位置和布局對(duì)于減小其影響至關(guān)重要。合理的布局可以減小串?dāng)_和反射，同時(shí)確保信號(hào)線(xiàn)的阻抗匹配。

信號(hào)損耗：孔徑是 “高頻信號(hào)的衰減器”

在高頻頻段，過(guò)孔孔徑的大小直接決定信號(hào)的衰減程度。PCB 批量廠(chǎng)家的插入損耗測(cè)試顯示，在 28GHz 頻段，0.3mm 孔徑的過(guò)孔每厘米損耗比 0.2mm 孔徑高 2.1dB，這種差異在長(zhǎng)距離傳輸中會(huì)被急劇放大。這源于兩個(gè)核心因素：大孔徑的孔壁銅層電流路徑更長(zhǎng)，趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的導(dǎo)體損耗增加;同時(shí)，大孔徑與周?chē)橘|(zhì)的電磁耦合更強(qiáng)，介質(zhì)損耗也隨之上升。某 PCB 批量廠(chǎng)家為 28GHz 毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的 0.15mm 激光孔，使信號(hào)傳輸損耗降低 1.8dB，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)期。

過(guò)孔的 “Stub 效應(yīng)” 與孔徑密切相關(guān)。未去除的過(guò)孔殘留段(Stub)會(huì)形成諧振腔，0.4mm 孔徑的 Stub 在 8GHz 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振峰，導(dǎo)致?lián)p耗驟增;而 0.2mm 孔徑的 Stub 諧振峰出現(xiàn)在 15GHz，能覆蓋更多高頻場(chǎng)景。PCB 批量廠(chǎng)家的解決方案是：對(duì) 10GHz 以上信號(hào)，采用背鉆工藝去除 Stub，且殘留長(zhǎng)度控制在 0.3mm 以?xún)?nèi)，配合 0.2mm 孔徑，可使諧振峰衰減 10dB 以上。

不同基材下的孔徑損耗差異明顯。在低損耗基材(如 Rogers 4350)上，0.3mm 與 0.2mm 孔徑的損耗差異比普通 FR-4 小 30%。這是因?yàn)楦哳l基材的介質(zhì)損耗更低，弱化了孔徑帶來(lái)的損耗差異。

阻抗匹配：孔徑?jīng)Q定 “信號(hào)反射的強(qiáng)度”

過(guò)孔孔徑是阻抗不連續(xù)的重要來(lái)源，直接影響信號(hào)反射的強(qiáng)弱。PCB 批量廠(chǎng)家的阻抗測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，50Ω 傳輸線(xiàn)經(jīng)過(guò) 0.3mm 孔徑過(guò)孔時(shí)，阻抗會(huì)出現(xiàn) ±10Ω 的突變;而 0.2mm 孔徑的過(guò)孔阻抗波動(dòng)僅 ±5Ω。這種突變?cè)诟咚傩盘?hào)傳輸中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重反射 ——10GHz 信號(hào)經(jīng)過(guò) 0.4mm 孔徑過(guò)孔后，反射損耗會(huì)從 - 20dB 惡化至 - 12dB，相當(dāng)于 40% 的信號(hào)能量被反射回源端。

不同孔徑的阻抗補(bǔ)償方案差異顯著。對(duì)于 0.3mm 孔徑，PCB 批量廠(chǎng)家通常會(huì)將過(guò)孔周?chē)膫鬏斁€(xiàn)線(xiàn)寬縮減 10%(如從 5mil 減至 4.5mil)，通過(guò)降低傳輸線(xiàn)阻抗抵消過(guò)孔的高阻抗突變;而 0.2mm 孔徑僅需縮減 5%，補(bǔ)償難度明顯降低。某通信 PCB 批量廠(chǎng)家的實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 0.2mm 孔徑過(guò)孔，能使 10GHz 信號(hào)的反射損耗控制在 - 25dB 以下，遠(yuǎn)優(yōu)于未補(bǔ)償?shù)?0.3mm 孔徑。

過(guò)孔焊盤(pán)尺寸與孔徑的匹配同樣關(guān)鍵。行業(yè)共識(shí)是焊盤(pán)直徑應(yīng)為孔徑的 2-2.5 倍，例如 0.2mm 孔徑搭配 0.4-0.5mm 焊盤(pán)，0.3mm 孔徑搭配 0.6-0.75mm 焊盤(pán)。PCB 批量廠(chǎng)家的仿真分析顯示，當(dāng)焊盤(pán)與孔徑比小于 1.5 倍時(shí)，阻抗突變會(huì)增加 50%，這是很多工程師容易忽視的細(xì)節(jié)。

在密集布線(xiàn)的高頻 PCB 中，過(guò)孔孔徑的大小直接影響信號(hào)間的串?dāng)_水平。PCB 批量廠(chǎng)家的串?dāng)_測(cè)試顯示，10GHz 信號(hào)通過(guò) 0.3mm 孔徑過(guò)孔時(shí)，與相鄰過(guò)孔的串?dāng)_比 0.2mm 孔徑高 8dB，這是因?yàn)榇罂讖降碾姶艌?chǎng)分布范圍更廣，更容易與鄰近信號(hào)產(chǎn)生耦合。某高速 SerDes 總線(xiàn) PCB 通過(guò)將過(guò)孔孔徑從 0.3mm 縮至 0.2mm，使串?dāng)_從 - 20dB 降至 - 28dB，滿(mǎn)足了 10Gbps 信號(hào)的傳輸要求。

過(guò)孔間距與孔徑的比例是串?dāng)_控制的關(guān)鍵。PCB 批量廠(chǎng)家的經(jīng)驗(yàn)公式是：過(guò)孔間距≥5 倍孔徑，例如 0.2mm 孔徑的過(guò)孔間距需≥1mm，0.3mm 孔徑需≥1.5mm。當(dāng)這個(gè)比例小于 3 時(shí)，串?dāng)_會(huì)急劇增加 —— 某 PCB 批量廠(chǎng)家的測(cè)試顯示，0.3mm 孔徑按 0.8mm 間距排列時(shí)，串?dāng)_比 1.5mm 間距高 12dB，完全超出可接受范圍。

接地過(guò)孔的孔徑影響隔離效果。0.2mm 接地過(guò)孔比 0.3mm 孔徑的分布電容高 40%，能更有效地吸收泄漏的電磁能量，增強(qiáng)對(duì)相鄰信號(hào)的隔離。某 PCB 批量廠(chǎng)家在高速差分對(duì)之間布置 0.2mm 接地過(guò)孔(間距 0.5mm)，使串?dāng)_降低 15dB，遠(yuǎn)優(yōu)于 0.3mm 接地過(guò)孔的效果。

高頻孔徑優(yōu)化方案

針對(duì)不同速率的高頻信號(hào)，PCB 批量廠(chǎng)家總結(jié)出精準(zhǔn)的孔徑選擇方案：

5-10GHz 信號(hào)：推薦 0.2-0.25mm 孔徑，焊盤(pán)直徑 0.4-0.5mm，Stub 長(zhǎng)度<0.5mm，配合 1 盎司銅箔和低損耗基材，可將反射損耗控制在 - 20dB 以下，插入損耗<1.5dB/cm。某 PCB 批量廠(chǎng)家為 5G 基站設(shè)計(jì)的該方案，使 6GHz 信號(hào)的眼圖張開(kāi)度提升 30%。

10-28GHz 信號(hào)：必須采用 0.15-0.2mm 激光鉆孔，焊盤(pán)直徑 0.3-0.4mm，強(qiáng)制背鉆去除 Stub，銅箔厚度減至 1/2 盎司以減少導(dǎo)體損耗。測(cè)試顯示，這種方案能滿(mǎn)足 28GHz 信號(hào)的誤碼率要求(<1e-12)。

28GHz 以上信號(hào)：孔徑≤0.15mm，采用鍍銀工藝降低孔壁電阻，過(guò)孔間距≥3mm 避免串?dāng)_，同時(shí)在過(guò)孔周?chē)O(shè)置接地屏蔽環(huán)(0.3mm 寬，間隔 0.2mm)。某雷達(dá) PCB 批量廠(chǎng)家的方案使 77GHz 信號(hào)的傳輸損耗降低 3dB，滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離探測(cè)需求。

批量生產(chǎn)提示：激光鉆孔的 0.15mm 孔徑良率對(duì)設(shè)備精度要求極高，PCB 批量廠(chǎng)家建議訂單量≥5000 塊時(shí)采用，小批量可放寬至 0.2mm 孔徑，平衡成本與性能。

1、阻抗不連續(xù)性

過(guò)孔在傳輸線(xiàn)上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)。

一般過(guò)孔等效阻抗比傳輸線(xiàn)低約12%，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在通過(guò)過(guò)孔時(shí)阻抗減小，例如50歐姆傳輸線(xiàn)阻抗可能減小6歐姆。

阻抗不連續(xù)會(huì)造成輕微的信號(hào)反射，但其反射系數(shù)較小，通常為0.06左右。

2、寄生電容和電感

過(guò)孔的存在會(huì)增加額外的寄生電容和電感。

寄生電容隨著過(guò)孔尺寸的減小而減小，有利于高速電路的應(yīng)用。

過(guò)孔產(chǎn)生的寄生效應(yīng)可能對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量造成影響，特別是在高頻信號(hào)傳輸時(shí)更為明顯。

3、成本與技術(shù)限制

過(guò)孔尺寸的減小會(huì)增加鉆孔成本，并受到鉆孔和電鍍等工藝技術(shù)的限制。

孔尺寸和深度的限制可能影響過(guò)孔的設(shè)計(jì)和布局，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸路徑的優(yōu)化。

4、微孔技術(shù)的應(yīng)用

微孔技術(shù)允許過(guò)孔直接打在焊盤(pán)上，提高電路性能并節(jié)約了不限空間。

微孔的使用可減小寄生電容，有利于高速信號(hào)傳輸，但同時(shí)需要考慮工藝實(shí)現(xiàn)的可行性和成本。