PCB中过孔对高速信号传输的影响
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在数字系统设计中，随着布线密度与时钟频率的不断提高，信号完整性与电磁兼容等问题愈加突 出，这对板级的硬件设计提出更多的要求。在多层 PCB 中，经常需要用过孔实现不同层的电气连接。 而在高频电路（GHz 以上）设计中，不得不考虑过孔的寄生参数对信号完整性的影响，其效应已成为 制约高速板设计的关键因素之一，如处理不当可能会导致整个设计的失败。本文主要根据过孔的理论 模型来仿真其对高速信号传输的影响，并针对高速 PCB 的过孔设计提出一些合理的建议。 1 过孔
图6 不同直径过孔仿真结果比较
根据以上仿真结果，可得出以下结论：
①传输线上过孔的寄生参数会对高频信号产生严重影响。
②随着过孔长度的增加，S21表现越恶劣，对高频信号影响越大。 ③随着过孔直径的减小，S21表现越恶劣，对高频信号影响越大。
4 结语
在高频、高密度PCB中，为避免过孔的寄生参数对高频信号产生严重影响，在设计之初就应注意：
C = 1.41ε rTD2
(1)
D1 − D2
式中： C—对地的寄生电容，pF
D1—环绕过孔的焊盘的直径，in D2—地平面上间隙孔的直径，in T —印刷电路板的厚度，in
ห้องสมุดไป่ตู้
εr—电路板的相对介电常数 过孔的寄生电容给电路造成的主要影响是延长了高频信号的上升时间，进而降低了电路的速度。
这在高频信号传输时需引起足够的重视。
对不同参数的过孔仿真，以证实根据公式得出的分析结果。
3 过孔影响的仿真
一个过孔从微波仿真的角度来看，可以等效成一个二端口网络。一端接输入信号，另一端接输出
信号，如果以Port1作为信号的输入端，Port2 作为信号的输出端，微波散射参量的S21代表传输损耗， 表示Port1有多少能量传输到了Port2。本文中的仿真结果将以S21形式体现。
在仿真之前需要说明的是，本文的过孔仿真是验证性的，其模型与真实的过孔有很大的差距，仿
真数据只做模型间的相对比较，不代表真实结果。本文多用的主要物理（封装）参数为，基板采用FR-4
(εr = 4.4)，覆铜厚度与过孔镀层厚度均为1oz。 传输线上有过孔和无过孔对高频信号的影响是不一样的。图4表示在500mil的传输线上有过孔和
Abstract This paper analyzes in theory the equivalent model of the through-hole via and the changes of the length and diameter effects on high-speed signals. Ansoft HFSS is used for simulation and some design guides are brought out in high-speed PCB design. Key words through-hole via; high-speed PCB; signal transmission 0 前言
为进一步对过孔进行分析，需建立过孔的等效模型。每个过孔都含有寄生电容和寄生电感，后者 的对高频信号的危害远远大于前者。过孔的等效模型如图3所示。
图 1 典型过孔组成图
第1页共1页
图 2 过孔的分类
L
C1
C2
图 3 过孔的等效模型
等效模型中的C是寄生电容和L是寄生电感，都可以用公式近似的求解[1][2]。 高频电路中过孔都会产生对地的寄生电容，过孔的寄生电容大小近似为:
[3]User's guide-high frequency structure simulator[Z]. Ansoft Corporation,2005.
[4]Constantine A. Balanis,Advanced Engineering Electromagnetics,John Wiley ＆ Sons,New
无过孔的S21仿真结果比较，模型中传输线宽度为6mil，过孔长度为63mil。 不同的过孔长度对高频信号的影响不同。图5为四个不同长度的过孔模型的S21仿真结果比较，表1
为各个模型参数。
过孔1
表1 四个过孔的长度 过孔2
过孔3
过孔4
第2页共2页
端口 长度/mil
P1，P2 63
P3，P4 53
P5，P6 43
过孔是 PCB 上的一个孔，是多层板设计的重要因素，可以用来固定器件和做不同层之间的电气连 接。一个典型的过孔主要由三部分组成：一是孔；二是孔周围的焊盘区；三是电源层隔离区，如图 1 所示。
过孔一般又分为三类：盲孔、埋孔和通孔。盲孔，指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，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。埋孔，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。通孔，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，所以一般印制电路板 均使用通孔。本文主要对通孔进行分析。过孔的分类如图2 所示。 2 过孔模型
P7，P8 33
不同的过孔直径对高频信号的影响不同。图6为四个不同直径的过孔模型的S21仿真结果比较，表2
为各个模型参数。
表2 四个过孔的直径
端口 长度/mil
过孔1 P1，P2 45.4
过孔2 P3，P4 35.4
过孔3 P5，P6 25.4
过孔4 P7，P8 15.4
图4 带过孔传输线与普通传输线仿真结果比较 图5 不同长度过孔仿真结果比较
第3页共3页
刘二利 作者简介： 第一作者：刘二利，研究生，研究方向现代电路系统。 第二作者：赵莲清，副教授，长期从事电气与电子工程教学和科研工作,研究方向电子电路电磁兼容。
第4页共4页
PCB 中过孔对高速信号传输的影响 刘二利 赵莲清
（华北电力大学，北京 102206） 摘 要 分析了过孔的等效模型以及其长度、直径变化对高频信号的影响，采用 Ansoft HFSS 对其 仿真验证，提出在高速 PCB 设计中具有指导作用的建议。 关键词 过孔；高速 PCB；信号传输
PCB Via effects on high-speed signal transmission Liu Er-li Zhao Lian-qing
高频电路中过孔同样会产生寄生串联电感，过孔的寄生电感大小近似为：
L
=
5.08h⎢⎣⎡In⎜⎝⎛
4h d
⎟⎞ ⎠
+
1
⎤ ⎥⎦
(2)
式中： L—过孔电感，nH
h—过孔长度，in
d—过孔直径，in
寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波作用，产生的高阻抗对高频信号已经
不能忽略。
由公式(1)(2)可知，过孔长度与直径对寄生参数的影响很大，甚至起到决定性的作用。在相同的 材料下，过孔长度越长，直径越小，寄生参数越大，对高频信号传输的影响越大。下文将使用Ansoft[3]
①PCB上信号走线尽量不换层，即尽量减少不必要的过孔；
②尽量减小过孔长度，可以考虑微型孔和Back-Drilling技术，减弱寄生参数的影响。
③合理选择过孔的直径。电源和地可以考虑增大过孔以减少阻抗，信号线在成本和工艺允许下尽量减
小过孔直径。
参考文献
[1]Martin Graham. PH.D. High-speed Digital Design, AHandbook of Black Magic. University of
California at Berkeley.
[2]ermans,J.De Geest,D.De Zutter,et al. Modelingdifferentialvia holes,IEEE
ransactionson AdvancedPackaging, vol.24,no.3,pp357-363,2001.
York,1989. 基金项目：国际科技合作计划项目资助课题（批准号 2007DFA71250）[Project Supported by the international science and technology cooperation program(Grant Nos: 2007DFA71250)]
图6 不同直径过孔仿真结果比较
根据以上仿真结果，可得出以下结论：
①传输线上过孔的寄生参数会对高频信号产生严重影响。
②随着过孔长度的增加，S21表现越恶劣，对高频信号影响越大。 ③随着过孔直径的减小，S21表现越恶劣，对高频信号影响越大。
4 结语
在高频、高密度PCB中，为避免过孔的寄生参数对高频信号产生严重影响，在设计之初就应注意：
C = 1.41ε rTD2
(1)
D1 − D2
式中： C—对地的寄生电容，pF
D1—环绕过孔的焊盘的直径，in D2—地平面上间隙孔的直径，in T —印刷电路板的厚度，in
ห้องสมุดไป่ตู้
εr—电路板的相对介电常数 过孔的寄生电容给电路造成的主要影响是延长了高频信号的上升时间，进而降低了电路的速度。
这在高频信号传输时需引起足够的重视。
对不同参数的过孔仿真，以证实根据公式得出的分析结果。
3 过孔影响的仿真
一个过孔从微波仿真的角度来看，可以等效成一个二端口网络。一端接输入信号，另一端接输出
信号，如果以Port1作为信号的输入端，Port2 作为信号的输出端，微波散射参量的S21代表传输损耗， 表示Port1有多少能量传输到了Port2。本文中的仿真结果将以S21形式体现。
在仿真之前需要说明的是，本文的过孔仿真是验证性的，其模型与真实的过孔有很大的差距，仿
真数据只做模型间的相对比较，不代表真实结果。本文多用的主要物理（封装）参数为，基板采用FR-4
(εr = 4.4)，覆铜厚度与过孔镀层厚度均为1oz。 传输线上有过孔和无过孔对高频信号的影响是不一样的。图4表示在500mil的传输线上有过孔和
Abstract This paper analyzes in theory the equivalent model of the through-hole via and the changes of the length and diameter effects on high-speed signals. Ansoft HFSS is used for simulation and some design guides are brought out in high-speed PCB design. Key words through-hole via; high-speed PCB; signal transmission 0 前言
为进一步对过孔进行分析，需建立过孔的等效模型。每个过孔都含有寄生电容和寄生电感，后者 的对高频信号的危害远远大于前者。过孔的等效模型如图3所示。
图 1 典型过孔组成图
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图 2 过孔的分类
L
C1
C2
图 3 过孔的等效模型
等效模型中的C是寄生电容和L是寄生电感，都可以用公式近似的求解[1][2]。 高频电路中过孔都会产生对地的寄生电容，过孔的寄生电容大小近似为:
[3]User's guide-high frequency structure simulator[Z]. Ansoft Corporation,2005.
[4]Constantine A. Balanis,Advanced Engineering Electromagnetics,John Wiley ＆ Sons,New
无过孔的S21仿真结果比较，模型中传输线宽度为6mil，过孔长度为63mil。 不同的过孔长度对高频信号的影响不同。图5为四个不同长度的过孔模型的S21仿真结果比较，表1
为各个模型参数。
过孔1
表1 四个过孔的长度 过孔2
过孔3
过孔4
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端口 长度/mil
P1，P2 63
P3，P4 53
P5，P6 43
过孔是 PCB 上的一个孔，是多层板设计的重要因素，可以用来固定器件和做不同层之间的电气连 接。一个典型的过孔主要由三部分组成：一是孔；二是孔周围的焊盘区；三是电源层隔离区，如图 1 所示。
过孔一般又分为三类：盲孔、埋孔和通孔。盲孔，指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，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。埋孔，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。通孔，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，所以一般印制电路板 均使用通孔。本文主要对通孔进行分析。过孔的分类如图2 所示。 2 过孔模型
P7，P8 33
不同的过孔直径对高频信号的影响不同。图6为四个不同直径的过孔模型的S21仿真结果比较，表2
为各个模型参数。
表2 四个过孔的直径
端口 长度/mil
过孔1 P1，P2 45.4
过孔2 P3，P4 35.4
过孔3 P5，P6 25.4
过孔4 P7，P8 15.4
图4 带过孔传输线与普通传输线仿真结果比较 图5 不同长度过孔仿真结果比较
第3页共3页
刘二利 作者简介： 第一作者：刘二利，研究生，研究方向现代电路系统。 第二作者：赵莲清，副教授，长期从事电气与电子工程教学和科研工作,研究方向电子电路电磁兼容。
第4页共4页
PCB 中过孔对高速信号传输的影响 刘二利 赵莲清
（华北电力大学，北京 102206） 摘 要 分析了过孔的等效模型以及其长度、直径变化对高频信号的影响，采用 Ansoft HFSS 对其 仿真验证，提出在高速 PCB 设计中具有指导作用的建议。 关键词 过孔；高速 PCB；信号传输
PCB Via effects on high-speed signal transmission Liu Er-li Zhao Lian-qing
高频电路中过孔同样会产生寄生串联电感，过孔的寄生电感大小近似为：
L
=
5.08h⎢⎣⎡In⎜⎝⎛
4h d
⎟⎞ ⎠
+
1
⎤ ⎥⎦
(2)
式中： L—过孔电感，nH
h—过孔长度，in
d—过孔直径，in
寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波作用，产生的高阻抗对高频信号已经
不能忽略。
由公式(1)(2)可知，过孔长度与直径对寄生参数的影响很大，甚至起到决定性的作用。在相同的 材料下，过孔长度越长，直径越小，寄生参数越大，对高频信号传输的影响越大。下文将使用Ansoft[3]
①PCB上信号走线尽量不换层，即尽量减少不必要的过孔；
②尽量减小过孔长度，可以考虑微型孔和Back-Drilling技术，减弱寄生参数的影响。
③合理选择过孔的直径。电源和地可以考虑增大过孔以减少阻抗，信号线在成本和工艺允许下尽量减
小过孔直径。
参考文献
[1]Martin Graham. PH.D. High-speed Digital Design, AHandbook of Black Magic. University of
California at Berkeley.
[2]ermans,J.De Geest,D.De Zutter,et al. Modelingdifferentialvia holes,IEEE
ransactionson AdvancedPackaging, vol.24,no.3,pp357-363,2001.
York,1989. 基金项目：国际科技合作计划项目资助课题（批准号 2007DFA71250）[Project Supported by the international science and technology cooperation program(Grant Nos: 2007DFA71250)]