过孔对信号质量的影响（方式、仿真、结论）
过孔对信号质量的影响（方式、仿真、结论）
过孔是PCB设计中常见的结构，其对信号质量的影响不容忽视。本文通过详细的仿真分析，探讨了过孔直径、反焊盘直径、过孔残桩长度等因素对信号质量的影响，为PCB设计提供了有价值的参考。
概述
过孔在PCB设计中扮演着重要角色，包括信号传输、电源分配、地线连接、机械定位和散热等功能。本文主要关注过孔在焊盘直径、反焊盘直径、非功能焊盘使用以及残桩长度等方面对信号质量的影响。
名词解释
插入损耗：信号经过某一处发生的负载功率的损耗，计算式为
Il=-10*log(Pout/Pin)
其中，Pout为输出功率，Pin为输入功率。当插入损耗大于-3dB时，损耗功率约为输入功率的一半，电压或电流为原先的0.707。通常-3dB的范围内表示信号的截止频率，小于这个数值，信号失真严重。回波损耗：信号经过阻抗不连续点时，信号会发生反射，这部分反射回来的信号的损耗即为回波损耗，计算式为
RL=-10 lg（P0/Pin）
其中，P0表示反射光功率，P1表示输入光功率。回波损耗一般大于-15dB。过孔反焊盘：过孔到铜皮的距离。
非功能焊盘：此处指回流地孔。
过孔的残桩：过孔换层中多余的部分。
仿真分析
为了便于贴近实际应用，仿真中采用常见的过孔参数：过孔直径为12mil，过孔焊盘为20mil，过孔内壁铜厚为1mil，过孔到铜皮的间距为6mil。过孔影响阻抗不连续的时间约为0.25ns，即250ps。
仿真一：过孔直径
条件：钻孔直径分别为8mil，12mil，16mil，20mil。为了单一查看钻孔直径带来的影响，保持其他参数一致，将焊盘直径统一设置为钻孔直径，过孔到铜皮的间距为6mil。
解释：焊盘直径的大小影响阻抗，焊盘直径越大，焊盘和周围导体的边缘场耦合就越强，相当于增加了容性负载，所以过孔的阻抗随焊盘的直径增加而减小。
结论：对于信号频率为GHz以内的信号来说，损耗相差不大，但阻抗相差较大。当条件允许时，减小过孔的直径可有效减少阻抗的波动。但从实际工艺以及成本考虑，缩小钻孔直径带来的效益不大。
仿真二：反焊盘直径
条件：过孔直径为12mil，过孔焊盘直径依次为18mil、21mil、24mil，过孔到铜皮的距离均为6mil。
仿真三：反焊盘直径（过孔到铜皮的距离）
条件：过孔直径为12mil，过孔焊盘为20mil，过孔到铜皮的尺寸分别为2mil，4mil，6mil，8mil。
插入损耗
结论：在前20GHz以内，焊盘直径相差不大。信号均维持在一个有效的范围内。
回波损耗
结论：在40GHz范围内回波信号快速衰减，频率越低衰减越快，在5GHz以后，基本衰减在10dB左右。
阻抗分布
结论：结合实际情况来看，过孔到铜皮的距离至少维持在4mil以上，推荐使用6mil以上。且对信号质量要求越高时，这个反焊盘的直径应该越大。当焊盘距离铜皮40mil时，阻抗波动仅为15欧姆，因此，增大反焊盘的直径可有效减少阻抗的波动，且相对容易实现。
解释：反焊盘越大，铜平面和焊盘及孔壁的电容就越小，阻抗必然增加。阻抗大小与电容的关系详见《各种影响因素与串扰的关系》一文。
结论：反焊盘的直径越大，可有效减少阻抗的波动，信号质量越好。这个反焊盘的相对前面的因素来说，更有利于实现。
仿真四：过孔的残桩
条件：通过改变经过过孔后出现层的位置层数分别为8、6、3，分别计算出残桩的尺寸为0mil，11.4mil，50.2mil。
结论：由上图可知，过孔的残桩越长，过孔的阻抗越低。过孔残桩带来另一个更严重的问题是残桩谐振，尤其在10GHz以上频率，需要特别注意。特殊条件下，可以使用背钻工艺，消除残桩。
结论
- 频率1GHz以下，信号损耗相对较小，因此常规的过孔设置影响不大。
- 过孔的孔径越小，阻抗越高。常规情况下，过孔的阻抗均略小于传输线的阻抗，因此，条件允许的情况下，可以把过孔设计的小一点。一般钻孔直径为8mil或者12mil比较合适。
- 过孔的焊盘越小，阻抗越高，但需注意加工工艺的限制。
- 过孔到铜皮的距离越大，阻抗越高，可以减少信号的损耗，特别时当信号频率越高时，这个过孔到铜皮的距离应该越大。
- 过孔的残桩越长，阻抗越低，过孔的残桩甚至会产生残桩谐振，带来某一个频率的信号衰减严重，一般在10GHz以上，尤其注意。特殊条件下，可以使用背钻工艺，消除残桩。
- 适当的回流孔可以改善孔的性能，使过孔对信号的影响降至最低。
- 信号频率越高时，尽量减少过孔。
详细内容详见前面仿真。