PCB缝合孔的概念和作用

前面我们讲了过孔 你可能不知道！80% 的 PCB 毁于过孔

今天我们说说PCB缝合孔

由于 PCB 设计不良，设计良好的电路在 POC 阶段或生产阶段失败的情况有很多。有一个比较常见的原因是：PCB接地反弹。

接地反弹，即电路的接地返回路径没有适当的铜面积并导致电路中的电阻，在这种情况下，处理运算放大器会很困难，因为它们在测量方面非常敏感（如果用作感测放大器）或对于高频操作中往往会产生EMI 干扰的RF电路。

而导致接地反弹的一个重要设计故障就是：没有接地缝合。这里就来详细讲讲缝合孔。

一、什么是缝合孔？

在说明什么是缝合孔之前，先了解一下缝合孔和过孔的区别：

1、过孔

PCB过孔

上图显示了具有基材的两层板。这种基材可以是木复合板或玻璃板类型的材料。这种材料或特别是这种板在平面上方和下方都有铜。因此，看起来像下面这样：

PCB层堆砌

上图显示了多层板中的不同层。现在，如果有人想从上面的铜平面连接到下面的铜平面，将不得不添加一个过孔。过孔只不过是在PCB生产阶段在PCB基材上钻出的一个孔，该孔的内层用铜填充，以使其能够将铜迹线穿过PCB的不同层。

2、缝合孔

过孔缝合是一种用于将不同层上较大的铜区域连接在一起的技术，实际上可以通过电路板结构创建牢固的垂直连接，有助于保持低阻抗和短返回环路。通孔缝合也可用于将可能与其网络隔离的铜区域连接到该网络。

PCB过孔缝合图

二、缝合孔有什么用？

1、缝合孔增加电流容量

PCB 层上的铜轨道具有恒定的厚度。轨道可以安全承载的电流量取决于它的电阻，而电阻又取决于 它的横截面积。如果横截面积增加，其电阻减小，轨道可以承载更大的电流。在 PCB 上铺设轨道时，设计人员只能调整其宽度以允许其承载预期电流，因为 PCB 层表面的铜厚度保持不变。然而，可以实现的轨道宽度是有限制的，因为可能还必须在同一空间内布置额外的轨道。

缝合孔的作用-增加电流容量

通过并联两条轨道，可以将轨道电阻降低到单条轨道的一半，从而有效地将其载流能力提高一倍。为此，轨道必须在相邻层上正交，必须使用多个过孔将它们连接或缝合在一起。设计人员通常 不会使用大过孔进行拼接，而是使用大量的小过孔来降低整体电阻。

2、缝合孔提高热传递

根据经验，大部分电子系统故障中有一半是由于热量失控造成的。通过实施更好的热管理，可以显著减少电子系统故障的数量。使用 SMT 是改善热传递的一种方法， 但电路板上铜箔的厚度和面积及其构成材料和厚度的影响更大。通常，有源器件管芯中产生的热量向下移动到导热垫，然后转移到 PCB 材料中。可以结合多种散热机制来消除 PCB 上组件产生的热量。通常，这些采取的形式通过铜箔的水平导热路径，然后是通过散热孔的垂直导热路径，最后从 战略性放置的散热器中逸出。

缝合孔的作用-提高热传递

紧密间隔或缝合的热通孔提供了从 PCB 的顶部铜面到底部铜面的低热阻路径。在这一侧， 铜平面上的散热器有助于将热量散发到周围空气中。过孔的热阻直接取决于它们的数量和位置。将过孔放置在更靠近热源的位置可以降低 热阻并显着改善散热。使用这些散热孔连接 PCB 顶面和底面的铜层 ，但它们也可以连接多层。

3、提高信号完整性

通过用紧密缝合的过孔封闭承载高速信号的轨道，可以精确定义其阻抗。为此，设计人员 在其两侧用铜焊盘封闭走线，同时在底层放置接地平面。两个铜焊盘通过几个缝合过孔连接到底部 接地平面，有效地将轨道变成外部微带线。

缝合孔的作用-提高信号的完整性

在轨道上方的层中放置一个接地平面，并通过更多缝合过 孔将其连接到两个铜焊盘和底部接地平面，将轨道变成内部微带线。由于过孔和接地层屏蔽了走线，它们密切地定义了走线的阻抗，并且走线可以传输高速信号，同时提高了信号完整性。同样的计划适用于隔离内存总线、屏蔽模拟部分和任何处理传感器的电路。用通孔定义电路的边缘 有助于防止不规则形状无意中变成辐射天线。

4、缝合孔改善EMI/EMC

在 PCB 周边全缝合过孔有助于改善其 EMI/EMC 特性。放置了一个与电路板形状大致相同的铜平面，但其尺寸比电路板轮廓小百分之几英寸。使用称为 3H 规则的经验法则， 使任何信号层与最近的接地层保持三倍电介质厚度的距离。这种方法有助于控制杂散发射 。此设计规则导致 PCB 的外边缘仅包含接地形状，而所有其他铜线都保留在内部，远离边缘

通过用多个过孔拼接顶层和底层的两个地平面，整个 PCB 形成一个锁定的法拉第笼，大幅削减 降低 FCC 合规要求的所有谐波。

缝合孔的间距取决于它们必须抑制的频率和合同制造商的能力。如果应用需要合同制造商可能难以实现的非常紧密 的过孔间距，你可以在第一行内放置第二行接地过孔。

三、缝合孔和屏蔽孔的区别？

PCB设计中有不同类型的过孔缝合工艺，这里主要是三种，通过下面的说明你就区分开缝合孔和屏蔽孔的区别。

恒定接地过孔拼接

热通孔缝合

屏蔽通过缝合

1、通过缝合固定接地

这是大多数 PCB 中最常用的 Via 拼接技术。接地层通过缝合完成，以确保PCB 中的接地返回路径更短从负载设备到电源。因此，它保持了健康的接地返回路径，从而在接地层中获得低电阻。如果设计支持两层以上的铜平面，则由于覆铜较大并且与顶层和底层或其他层连接，因此它产生的散热较低，从而导致低抗跌落性。它使 PCB 中所有位置的铜电阻保持平衡。

因此，如果有人测量不同位置的接地层之间的电压降，由于电阻不同，不同的电压降会导致接地反弹问题。缝合孔非常有效，与调试 PCB 中的接地反弹故障相比，它的工作量很小。

在这个例子，我们使用接地平面上的通孔拼接技术制作了多个在工作阶段成功的 PCB。这里仅举个例子，其中一个成功使用了 Via 拼接。这是一些通过拼接显示的图像，用红色突出显示它们以便更好地理解。

通过缝合固定接地

不仅在地平面中，它还可以用于其他需要完美覆铜的地方。缝合孔用于接地平面以外的不同层。PCB的实际图像如下所示。

通过缝合固定接地

2、热通孔缝合

如果设计得当，基于 PCB 的散热器在大多数情况下会更有用。基于 PCB 的散热器的一个关键组件是热通孔缝合。已经开展了多个项目，其中使用热通孔缝合在多个铜平面（顶部和底部）上提供出色的导热性。示例如下：

热通孔缝合

在上面的 PCB 或其他 PCB 中，它非常有助于将热量分布在铜平面上。由于 PCB 更有利于高功率组件所在的层段。它变得太热，热量仅从侧面分布，而 PCB 核心和另一个相对层比有源走线保持凉爽。在这一点上进行缝合使其具有更好的导热性，从而进一步将热量散发到核心并进一步散发到连接的相对平面，从而降低目标高功率组件的整体结温。

3、屏蔽孔

出于 EMI 相关原因，在高频射频或混合信号电路上进行过孔屏蔽，主要是在 WiFi、蓝牙和其他可能因 EMI 干扰而受到影响的宽带高频元件中。它也被称为PCB 栅栏。

通常，它是使用单排或多排通孔创建的，这些通孔缝合在距离高频轨道太近的大铜平面的周边。下面给出的设计在 4 层电路板上使用了 屏蔽孔。

屏蔽孔

正如我们所看到的，它是在距离 WiFi 模块天线太近的地平面周边完成的。通常，建议在射频板上使用屏蔽通孔拼接，其中通孔的间距至少为需要屏蔽接口的最高频率的目标波长的 1/10。在某些实践中，它也使用 1/8 的空间来完成。但主要注意的是保持通孔间距小于衬底电介质中的波长。

四、缝合孔如何单独操作？

1、应用缝合孔

大多数 EDA 工具都会提供一些机制来自动将两个铜浇注缝合在一起。用户的第一个决定是是否在铜洪水中包括岛屿。孤岛是一个浸铜区域，它在其层上没有连接到网络，但在缝合到其他覆铜时将获得网络连接。在 Proteus Design Suite 中，抑制孤岛复选框用于在放置电源层时控制覆铜。

应用缝合孔

一旦定义了两个层上的泛洪区域，用户将调用 via stitching 命令。通常，配置对话框将允许选择通孔样式和通孔之间的最小间隙，然后软件将负责通孔放置。配置完成后，这通常会缝合两个平面的整个公共区域。

应用缝合孔

虽然这听起来很明显，但最常见的用户错误之一是在布局包中过早地将平面缝合在一起。完全缝合的 PCB 会使布线走线更加困难，因此，除非有充分的理由，否则应始终在布线完成后执行缝合。

如何在 Altium Designer 中向 PCB 添加过孔拼接和过孔屏蔽，可以在以下链接进行观看：https://www.altium.com/documentation/altium-designer/via-stitching-via-shielding-pcb

2、应用屏蔽孔

屏蔽孔，有时称为过孔栅栏或尖桩栅栏，遵循与缝合过孔相同的原则，但往往由轨道或覆铜边界周围的单排周边过孔组成。这些几乎总是用于隔离以不同频率运行的电路板区域，并用于如上所述的 EMI 控制。

在程序上，你将以几乎相同的方式应用屏蔽过孔。如果将过孔应用于覆铜周边，你可以选择要屏蔽的轨道或电源层。然后从上下文菜单启动 via shielding 对话框，并以与 via stitching 相同的方式进行配置。

应用屏蔽孔

3、缝合孔应用时的注意事项

1）PCB 制造

如果电路板将在高电流下运行时非常热，最好探索其他能够承受更高工作温度的材料。尽管这些材料可能更昂贵，但从长远来看，它们可能会避免与热相关的问题，从而最终为节省开支。还应该与你的制造商合作，为高电流电路板开发最佳层堆叠配置和电源平面策略。

2）电路板厚度

通过增加电路板的厚度，你可以增加铜的重量，从而使走线更粗。这可能允许减小走线宽度，从而留出更多布线和元件放置空间。与任何制造问题一样，在将这些更改纳入设计之前，应与你的制造商达成一致。

3）自动化装配

正如我们所见，由于电和热原因，更高的电流需要更多的金属。但与此同时，在操作过程中散发不需要的热量的同一种金属也可能给 PCB 组装带来问题。大面积的金属会对较小的零件造成热不平衡，从而影响它们的焊接。为避免这种情况，请确保在将零件直接连接到宽走线或大面积金属时使用散热装置。

4）元件放置

如果可以避免，承载高电流和发热的元件不应放置在板的边缘。通过将这些部件放置得更靠近电路板的中心，电路板自然散发的热量就有更大的空间。

以上就是关于PCB缝合孔的简单介绍，希望能够对大家有用，欢迎大家多多指教。