过孔设计方法、过孔、PCB板、PCB设计及生产方法与流程

过孔设计方法、过孔、pcb板、pcb设计及生产方法
技术领域
1.本发明涉及pcb板卡设计技术领域，具体涉及一种过孔设计方法、过孔、pcb板、pcb设计及生产方法。


背景技术：

2.当前电子产品向着更加高性能，更加小型化发展，其需要电子产品中pcb板卡上的信号传输速率越来越快，同时pcb板卡尺寸不断减小，器件及信号走线密度更大。传统的pcb设计方法很难满足高速信号传输性能的要求，为了满足高速信号传输的信号完整性，pcb设计需要更加精细，从而保证高速信号传输阻抗的连续性，避免信号反射等传输问题。同时电子产品日已趋向小型化及低成本，对电子产品中pcb板卡设计带来了很大的挑战。随着电子产品pcb板卡中的高速差分信号传输速率越来越快，进一步导致其在pcb设计中越来越严格准确。当前常用的高速差分信号走线如pcie5.0、upi2.0等，其pcb设计要求必须在板卡内层布线，因此其布线在连接器或者芯片端扇出后通过via(过孔)进入内层布线。
3.常规设计中一对差分信号dp/dn，需要至少4个via，且via间距为1mm，因此占用了较大的pcb面积。此外，由于pcie5.0传输速率达到32gbits/s，为了防止不同高速差分走线via之间的串扰，不同差分走线via之间需要增加gnd隔离via，起到屏蔽作用，此设计进一步加大了其pcb设计面积，不利于pcb设计的小型化，增加了pcb成本。
4.在常规pcb设计中，高速差分信号如pcie，传输阻抗控制在85欧姆，为了防止传输阻抗不连续而造成信号反射，进而影响高速信号完整性，dp/dn信号的线宽线距在其布线全程一致且完全耦合，但是当差分信号经过via换层时，根据一般过孔的周长，计算过孔处线宽会变大，此变化会使得差分传输阻抗严重降低，引起信号反射，造成信号完整性失真。


技术实现要素：

5.针对高速信号线通过普通过孔进入内层布线，当差分信号经过via换层时，过孔处线宽会变大，此变化会使得差分传输阻抗严重降低，引起信号反射，造成信号完整性失真的问题，本发明提供一种用于高速差分信号换层过孔的设计方法、过孔封装、pcb板、实现方法。
6.本发明的技术方案是：
7.第一方面，本发明技术方案提供一种过孔设计方法，包括如下步骤：
8.取一点为基点以预设第一阈值为半径设计第一个圆形；
9.以第一个圆形的圆心为基础，以预设第二阈值为半径设计第二圆形，形成一个圆环；其中第一阈值与第二阈值的差为第三阈值；
10.利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻的扇形环；两个扇形环分别为第一扇形环和第二扇形环；
11.将第一扇形环和第二扇形环设置为焊盘。
12.进一步的，利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻
的扇形环的步骤还包括：
13.设置第一扇形环的长度占圆环的m/n；
14.设置第二扇形环的长度占圆环的1/n；
15.设置第一扇形环与第二扇形环之间的距离为第二扇形环的长度。
16.设置第二扇形环焊盘的长度与连接的差分信号的布线宽度一致。
17.本技术第一扇形环的弧的长度可以理解为第一扇形环焊盘的长度，第二扇形环的弧的长度可以理解为第二扇形环焊盘的长度，阈值的设置根据普通过孔的孔径大小以及过孔布线的线宽进行计算设置。
18.进一步的，取一点为基点以预设第一阈值为半径设计第一个圆形的步骤中，第一阈值为0.5mm；
19.以第一个圆形的圆心为基础，以预设第二阈值为半径设计第二圆形的步骤中，第二阈值为0.25mm；
20.其中，第一阈值为过孔焊盘的直径，第二阈值为过孔的孔径；第三阈值与第二阈值相等。
21.设置第一扇形环的弧的长度是该弧所在圆形周长的m/n的步骤中，n为7，m为4。
22.第二方面，本发明技术方案提供一种根据第一方面所述的过孔设计方法设计的过孔，包括第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘；
23.第一扇形环焊盘长度为第五阈值；
24.第二扇形环焊盘长度为第六阈值；
25.使用所述的过孔进行差分信号的内层布线时，差分信号与第二扇形环焊盘连接，并且第一扇形环焊盘的网络设置与第二扇形环焊盘网络设置不同；
26.进一步的，第一扇形环焊盘的网络与连接的差分信号的网络一致，第二扇形环焊盘网络分配为gnd网络。
27.此差分信号布线设计中第二扇形环焊盘作为地回流过孔，比常规设计减少了2个gnd网络的回流过孔，缩小了一半的pcb布线面积，大大的减小pcb尺寸，降低了pcb成本，更加利于电子产品小型化；同时节省出的pcb布线面积可以分配给其他信号网络布线，提高了整个pcb板卡的电气性能。
28.进一步的，第五阈值为0.4mm，第六阈值为0.1mm；两个焊盘的宽度均为0.25mm。
29.差分信号所经过的两个第二扇形环焊盘正对靠近之间的距离为第六阈值，差分信号dp/dn经过时间距变化较小，耦合强度几乎不变，进一步抑制了高速差分信号传输阻抗的突变，保证了高速差分信号传输的信号完整性，提升了高速差分信号的信号质量。第一扇形环焊盘与第二扇形环焊盘距离较近，使得高速差分信号的换层via处更好的回流。
30.第三方面，本发明技术方案还提供一种pcb板，所述pcb板上设置有如第二方面所述的过孔。
31.由于第一扇形环焊盘包裹了第二扇形环焊盘，使得gnd网络将高速差分信号网络包裹，从而抑制了高速差分信号磁场噪声的外扩，避免了不同高速差分信号间的耦合串扰，提升了高速差分信号的电气性能。同时在pcb设计中，不用再额外了的增加gnd隔离过孔，减小了pcb布线面积，降低了pcb成本。
32.第四方面，本发明技术方案还提供一种pcb设计方法，包括如下步骤：
33.当差分信号需要通过第二方面所述的过孔换层布线时，将差分信号的dp信号连接至一个过孔的第二扇形环焊盘上；差分信号的dn信号连接至另一个过孔的第二扇形环焊盘上；即第二扇形环焊盘分配为差分信号网络；其中两个过孔间距为第七阈值；
34.将过孔的第一扇形环焊盘分配为gnd网络。
35.进一步的，第七阈值为1mm。
36.进一步的，定义差分信号的dp信号连接过孔为第一过孔，差分信号的dn信号连接的过孔为第二过孔；该方法还包括：
37.第一过孔的第一扇形环焊盘设置在差分信号的dp信号的左侧；
38.第二过孔的第一扇形环焊盘设置在差分信号的dn信号的右侧；使第一扇形环焊盘包裹第二扇形环焊盘，从而使gnd网络将差分信号网络包裹。
39.第五方面，本发明技术方案还提供一种pcb生产方法，包括如下步骤：
40.采用直径为第二阈值的钻头钻孔；
41.激光镭射切割pcb基材，分割出第一扇形环焊盘、第二扇形环焊盘，且第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘之间的间距为第六阈值；
42.在过孔内电镀上铜使得各层布线连通；
43.用树脂将过孔塞满，使得dp/dn信号与gnd网络隔离。
44.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本专利从高速差分信号换层via的设计角度出发，提出了一种在保证高速差分信号换层处传输阻抗连续的情况下，减小高速差分信号pcb设计面积，同时增加不同高速差分信号间的隔离，避免相互间串扰的过孔设计方法。
45.此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
46.由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。
49.图2是本发明一个实施例的过孔封装示意图。
50.图3是本发明一个实施例的高速差分信号采用过孔换层走线示意图。
51.图4是本发明一个实施例的多个高速差分信号的布线示意图。
具体实施方式
52.在常规pcb设计中，高速差分信号如pcie，传输阻抗控制在85欧姆，为了防止传输阻抗不连续而造成信号反射，进而影响高速信号完整性，dp/dn信号的线宽线距在其布线全程一致且完全耦合，但是当差分信号经过via换层时，根据一般过孔的周长，计算过孔处线宽会变大，此变化会使得差分传输阻抗严重降低，引起信号反射，造成信号完整性失真。本专利从高速差分信号换层via的设计角度出发，提出了一种在保证高速差分信号换层处传
输阻抗连续的情况下，减小高速差分信号pcb设计面积，同时增加不同高速差分信号间的隔离，避免相互间串扰的via设计方法。
53.需要说明的是，本技术的差分信号指的是高速差分信号。
54.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
55.如图1所示，本发明实施例提供一种过孔设计方法，包括如下步骤：
56.步骤1：取一个点为基点以预设第一阈值为半径设计第一个圆形；
57.步骤2：以第一个圆形的圆心为基础，以预设第二阈值为半径设计第二圆形，形成一个圆环；其中第一阈值与第二阈值的差为第三阈值；
58.步骤3：利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻的扇形环；两个扇形环分别为第一扇形环和第二扇形环；
59.步骤4：将第一扇形环和第二扇形环设置为焊盘。
60.需要说明的是，步骤3中利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻的扇形环的步骤还包括：
61.设置第一扇形环的长度占圆环的m/n；
62.设置第二扇形环的长度占圆环的1/n；
63.设置第一扇形环与第二扇形环之间的距离为第二扇形环的长度。
64.本技术第一扇形环的弧的长度可以理解为第一扇形环焊盘的长度，第二扇形环的弧的长度可以理解为第二扇形环焊盘的长度，阈值的设置根据普通过孔的孔径大小以及过孔布线的线宽进行计算设置。设置第二扇形环焊盘的长度与连接的差分信号的布线宽度一致。
65.在常规pcb设计中，高速差分信号如pcie，传输阻抗控制在85欧姆，为了防止传输阻抗不连续而造成信号反射，进而影响高速信号完整性，dp/dn信号的线宽线距在其布线全程一致且完全耦合，通常线宽线距为0.11mm/0.14mm。但是当差分信号经过via换层时，via的内直径为0.25mm，铜厚为0.025mm，其内直径铜周长约为：l≈3.14
×
0.225≈0.71mm。即，高速差分信号via换层处相当于线宽变为0.71mm，此变化会使得差分传输阻抗严重降低，引起信号反射，造成信号完整性失真。本技术中，在过孔(via)的pcb封装设计时，将via设计为两个扇形环焊盘，其中一个焊盘大小为整个圆周长的七分之一，第二扇形环焊盘长度约为0.1mm；另一个焊盘大小为整个圆周长的七分之四，第一扇形环焊盘约为0.4mm；两个焊盘之间的间距为圆周长的七分之一，约为0.1mm；两个焊盘宽度为0.25mm。过孔封装如图2所示。高速差分信号采用新的via换层，极大的缩小了pcb布线尺寸，降低了pcb板卡成本，更加利于电子产品小型化；同时去除了不同高速差分信号间的串扰，提升了信号质量；采用via的第二扇形环焊盘换层，保证了高速差分走线传输阻抗的连续性，提高了信号完整性。第二扇形环焊盘长度与差分信号的布线宽度一致。
66.也就是，上体提到的，取一点为基点以预设第一阈值为半径设计第一个圆形的步骤中，第一阈值为0.5mm；以第一个圆形的圆心为基础，以预设第二阈值为半径设计第二圆
形的步骤中，第二阈值为0.25mm；
67.其中，第一阈值为过孔焊盘的直径，第二阈值为过孔的孔径；第三阈值与第二阈值相等。相当于，设置第一扇形环的弧的长度是该弧所在圆形周长的m/n的步骤中，n为7，m为4。
68.本发明实施例提供一种过孔，包括第一扇形环焊盘101和第二扇形环焊盘102；同一差分信号的两个过孔，第二扇形环焊盘102正对靠近；第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘是利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻的扇形环；两个扇形环分别为第一扇形环和第二扇形环；将第一扇形环和第二扇形环设置为焊盘来实现。
69.第一扇形环焊盘长度为第五阈值；
70.第二扇形环焊盘长度为第六阈值；
71.使用所述的过孔进行差分信号的内层布线时，差分信号与第二扇形环焊盘连接，并且第一扇形环焊盘的网络设置与第二扇形环焊盘网络设置不同；
72.需要说明的是，第一扇形环焊盘的网络与连接的差分信号的网络一致，第二扇形环焊盘网络分配为gnd网络。
73.此差分信号布线设计中第二扇形环焊盘作为地回流过孔，比常规设计减少了2个gnd网络的回流过孔，缩小了一半的pcb布线面积，大大的减小pcb尺寸，降低了pcb成本，更加利于电子产品小型化；同时节省出的pcb布线面积可以分配给其他信号网络布线，提高了整个pcb板卡的电气性能。
74.第五阈值为0.4mm，第六阈值为0.1mm；两个焊盘的宽度均为0.25mm。
75.差分信号所经过的两个第二扇形环焊盘正对靠近之间的距离为第六阈值，差分信号dp/dn经过时间距变化较小，耦合强度几乎不变，进一步抑制了高速差分信号传输阻抗的突变，保证了高速差分信号传输的信号完整性，提升了高速差分信号的信号质量。第一扇形环焊盘与第二扇形环焊盘距离较近，使得高速差分信号的换层via处更好的回流。
76.本发明实施例还提供一种pcb板，所述pcb板上设置过孔，所述过孔包括第一扇形环焊盘101和第二扇形环焊盘102；同一差分信号的两个过孔，第二扇形环焊盘102正对靠近；第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘是利用第一圆形和第二圆形之间的半径线段，在圆环中截取两个不相邻的扇形环；两个扇形环分别为第一扇形环和第二扇形环；将第一扇形环和第二扇形环设置为焊盘来实现。使用所述的过孔进行差分信号的内层布线时，差分信号与第二扇形环焊盘连接，并且第一扇形环焊盘的网络设置与第二扇形环焊盘网络设置不同；第一扇形环焊盘的网络与连接的差分信号的网络一致，第二扇形环焊盘网络分配为gnd网络。
77.本技术中，高速差分信号采用新的via换层，减少了地回流via及不同差分信号间的隔离via，极大的缩小了pcb布线尺寸，同时去除了不同差分信号间的串扰。换层via第二扇形环尺寸与常规高速差分信号的布线宽度接近，同时高速差分信号dpdn换层via焊盘比较靠近，从而保证了高速信号传输阻抗的连续性，提升了电气性能。
78.由于第一扇形环焊盘包裹了第二扇形环焊盘，使得gnd网络将高速差分信号网络包裹，从而抑制了高速差分信号磁场噪声的外扩，避免了不同高速差分信号间的耦合串扰，提升了高速差分信号的电气性能。同时在pcb设计中，不用再额外了的增加gnd隔离过孔，减小了pcb布线面积，降低了pcb成本。
79.此高速差分信号布线设计中第一扇形环焊盘作为地回流via，比常规设计减少了2个gnd网络的回流via，缩小了一半的pcb布线面积，大大的减小pcb尺寸，降低了pcb成本，更加利于电子产品小型化；同时节省出的pcb布线面积可以分配给其他信号网络布线，提高了整个pcb板卡的电气性能。
80.第二扇形环焊盘的长度为0.1mm左右，十分接近常规设计中高速差分走线的宽度，信号在换层via处阻抗几乎不变。同时如图3中所示，差分信号dn/dp所经过的两个第二扇形环焊盘正对靠近，差分信号dp/dn经过时间距变化较小，耦合强度几乎不变，进一步抑制了高速差分信号传输阻抗的突变，保证了高速差分信号传输的信号完整性，提升了高速差分信号的信号质量。
81.第一扇形环焊盘与第二扇形环焊盘距离较近，使得高速差分信号的换层via处更好的回流。
82.由于第一扇形环焊盘包裹了第二扇形环焊盘，使得gnd网络将高速差分信号网络包裹，从而抑制了高速差分信号磁场噪声的外扩，避免了不同高速差分信号间的耦合串扰，提升了高速差分信号的电气性能。同时在pcb设计中，不用再额外了的增加gnd隔离via，减小了pcb布线面积，降低了pcb成本。其中差分信号dp1/dn1和dp2/dn2与过孔的连接方式如图4中多个高速差分信号的布线设计图所示。
83.本发明实施例还提供一种pcb设计方法，包括如下步骤：
84.当差分信号需要通过第二方面所述的过孔换层布线时，将差分信号的dp信号连接至一个过孔的第二扇形环焊盘上；差分信号的dn信号连接至另一个过孔的第二扇形环焊盘上；即第二扇形环焊盘分配为差分信号网络；其中两个过孔间距为第七阈值；
85.将过孔的第一扇形环焊盘分配为gnd网络。
86.定义差分信号的dp信号连接过孔为第一过孔，差分信号的dn信号连接的过孔为第二过孔；该方法还包括：
87.第一过孔的第一扇形环焊盘设置在差分信号的dp信号的左侧；
88.第二过孔的第一扇形环焊盘设置在差分信号的dn信号的右侧；使第一扇形环焊盘包裹第二扇形环焊盘，从而使gnd网络将差分信号网络包裹。
89.具体的，在pcb设计过程中，高速差分信号需要via换层布线时，将dp/dn信号连接至via的第二扇形环扇形焊盘上，via中第一扇形环焊盘分配为gnd网络，两个换层via间距为1mm，此高速差分信号布线设计中第一扇形环焊盘作为地回流via，比常规设计减少了2个gnd网络的回流via，缩小了一半的pcb布线面积，大大的减小pcb尺寸，降低了pcb成本，更加利于电子产品小型化；同时节省出的pcb布线面积可以分配给其他信号网络布线，提高了整个pcb板卡的电气性能。第二扇形环焊盘的长度为0.1mm左右，十分接近常规设计中高速差分走线的宽度，信号在换层via处阻抗几乎不变。差分信号所经过的两个第二扇形环焊盘正对靠近，差分信号dpdn经过时间距变化较小，耦合强度几乎不变，进一步抑制了高速差分信号传输阻抗的突变，保证了高速差分信号传输的信号完整性，提升了高速差分信号的信号质量。第一扇形环焊盘与第二扇形环焊盘距离较近，使得高速差分信号的换层via处更好的回流。由于第一扇形环焊盘包裹了第二扇形环焊盘，使得gnd网络将高速差分信号网络包裹，从而抑制了高速差分信号磁场噪声的外扩，避免了不同高速差分信号间的耦合串扰，提升了高速差分信号的电气性能。同时在pcb设计中，不用再额外了的增加gnd隔离via，减小
了pcb布线面积，降低了pcb成本。
90.再一方面，本发明实施例还提供一种pcb生产方法，包括如下步骤：
91.采用直径为第二阈值的钻头钻孔；
92.激光镭射切割pcb基材，分割出第一扇形环焊盘、第二扇形环焊盘，且第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘之间的间距为第六阈值；
93.在过孔内电镀上铜使得各层布线连通；
94.用树脂将过孔塞满，使得dp/dn信号与gnd网络隔离。
95.pcb板卡生产时，首先采用直径为0.25mm的常规钻头钻孔；然后激光镭射切割pcb基材，从而分割出第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘，第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘之间的间距为0.1mm，满足当前激光镭射切割pcb基材的要求；接着via内电镀上铜使得各层布线连通；由于电镀上铜后，via的第一扇形环焊盘和第二扇形环焊盘之间只有0.05～0.07mm之间，为防止高速差分信号dpdn与gnd网络短路，采用树脂塞孔，用树脂将via塞满，使得dpdn信号与gnd网络隔离。
96.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。