CN201042106Y

CN201042106Y - 一种电路板通孔及电路板

Info

Publication number: CN201042106Y
Application number: CNU2007201487532U
Authority: CN
Inventors: 谢凯; 张海涛
Original assignee: Hangzhou H3C Technologies Co Ltd
Current assignee: Hangzhou H3C Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2017-06-07

Abstract

本实用新型公开了一种电路板通孔，用于安装压接连接器，所述通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔互通，其所述第一部分通孔与电路板顶层连接，所述第二部分与电路板底层连接，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔的孔径不同。本实用新型还公开了一种电路板。本实用新型的实施例中，通过一个通孔双直径大小的设计，使得电路板传送电流时既能很好的满足通流能力，又能减少层数、减少板厚，降低成本；传送高速信号时能提高信号质量，保证系统的优化连接。

Description

一种电路板通孔及电路板

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种电路板通孔及电路板。

背景技术

随着电子通讯行业的高速发展，通讯设备的复杂和集成度大大提高。一个设备中可能包括很多PCB(Print Circuit Board，印制电路板)，在这些PCB中，背板是系统互连的核心，相当于一个通道，主要起传输作用。由于背板尺寸大、厚度厚，同时由于组装中可能受高温影响，传统的焊接工艺在背板中的应用已逐渐减少，现在大部分背板都采用压接器件来实现不同单板的互连。所谓压接指在器件组装过程中，用纯机械方式把连接器固定在背板上，图1所示。

通常情况下，背板会同时为工作电源和信号提供通道，传送电源和信号都是用各自对应的连接器来实现，如传送电源用电源连接器，传送高速信号用高速连接器。电源是整个系统工作的基础，信号是工作的内容。随着客户功能和要求的提高，整个系统的功耗也有所增加，背板所需要传送的电源电流也逐渐增大。同时，在这个高效率时代，速率也成为需求热点，因此背板所传输的信号也不仅仅是普通的低速信号，其常常需要传输几GHZ速率的信号；在一个很大的设备系统中，背板尺寸很大，且受结构的限制，某高速信号在背板上可能传送的距离很远，会达到几万mil以上(39.4mil＝1毫米)。

为了提高市场竞争力，连接器厂家把大电流和高速信号的传输做到了一个连接器中，在单板互连时能减少了连接器个数，可以节约空间，提高背板中连接器排部密度。该类连接器具体如图2所示，实心圈表示钻孔大小，D1表示连接器的电流针直径，D2表示连接器的信号针直径；其关系常为：D1＞D2；整个外圈表示焊盘大小；B1表示连接器的电流针之间的距离，B2表示信号针之间的距离。为了满足绝缘间距要求，信号针距电源针距离比信号之间间距远一些，且电源针一般比信号针长一些。

设计背板这样的PCB时，需要考虑如何保证电流载流能力，提高散热能力，减少高速信号的损耗。对于大电流，要满足载流并保证较好的散热能力，需要足够的孔和足够面积的铜面。对于高速信号来说，影响信号质量的因素很多，如板材、层叠、走线宽度、走线长度、通孔等，其中，背板设计时，板材、层叠、走线宽度、走线长度已经在物理可实现性、结构、成本的限制下做了可承受优化处理。各个连接器厂家不断推出各种低损耗、大电流的连接器以满足客户的需求，但如果不优化PCB的通孔设计，通孔造成的阻抗不连续性和通孔容性效应对高速信号整条链路影响很大，使得各类新型连接器的优势并不能很好的发挥出来。

对于一个压接连接器，其压接针见图3。其中，Lp指器件要求的压接厚度，Ltotal表示该针总的长度。现在普通的压接连接器电源和信号针所对应PCB通孔都是与压接针直径等大的通孔。普通压接连接器对应的通孔截面如图4a和图4b所示，T表示顶层，一般指器件层，B表示底层，L2至Ln表示内层走线层，最中间斜线表示通孔金属壁。图4a表示贯穿整个单板的金属化通孔。图4b表示压接器件与图4a中的通孔的配合情况。Lp指器件要求的压接厚度，Ltotal表示该针总的长度。

对于大电流电源传输，一般PCB设计都会采用该通孔设计，并大面积铺铜来保证PCB能承受相应电流。对于电源通孔，为了满足载流要求，PCB设计时会在一层或多层进行大面积铺铜。有时候因为成本限制，不可能有足够的层足够的面积来使得电流载流很充足，只能是刚好满足要求，这样使得电流传输裕量不是很充足。

对于高速信号，如信号工作速率达到了6.25G以上，对于特别厚的背板进行了背钻处理，背钻指在满足压接厚度的前提下，从非器件面开始把通孔的多余金属壁去除。对于高速信号传输，受成本、厚度、层数的限制，高速信号有可能在很多层都有，在高速信号领域里，通孔呈容性，且孔直径越大，其电容效应越明显，阻抗不连续性越大，容性对高速信号有着很大的负面影响。现在的常规设计中，对于走在压接厚度要求以外的高速信号，可以通过背钻的方式把通孔的Stub(多余)去除，从而提高信号的质量。但是对于分布在靠近板子底层的的高速信号来说，多余的高速信号的线头可能只有20mil左右，甚至更少，考虑到加工误差，且多一次背钻成本就会高一些，因此，在增加背钻成本和性能优化程度方面做折中，此时，对于只有20mil多余的Stub，不做背钻。但是随着速率的增加，对于该情况，如果不寻找新的改善方式，通孔对信号的影响可能直接导致系统不能正常工作。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电路板通孔及电路板，以解决现有技术中使用压接连接器的电路板成本高及信号质量不稳定的缺陷。

为达到上述目的，本实用新型实施例提供了一种电路板通孔，用于安装压接连接器，所述通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔互通，其所述第一部分通孔与电路板顶层连接，所述第二部分与电路板底层连接，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔的孔径不同。

所述通孔连接压接连接器的电源针时，所述第一部分通孔的孔径小于所述第二部分通孔的孔径。

所述第二部分通孔的孔径由针间距和通孔需要承受的电流确定。

所述第一部分通孔的深度为所述压接连接器的压接厚度。

所述通孔连接压接连接器的信号针时，所述第一部分通孔的孔径大于所述第二部分通孔的孔径。

所述第二部分通孔的孔径由电路板厚径比确定。

所述第一部分通孔的深度为所述压接连接器的针脚长度。

本实用新型实施例还提供了一种电路板，具有安装压接连接器的通孔，所述通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔互通，其所述第一部分通孔与电路板顶层连接，所述第二部分与电路板底层连接，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔的孔径不同。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下优点：

本实用新型的实施例中，通过一个通孔双直径大小的设计，使得电路板传送电流时既能很好的满足通流能力，又能减少层数、减少板厚，降低成本；传送高速信号时能提高信号质量，保证系统的优化连接。

附图说明

图1是现有技术中背板上安装压接连接器的示意图；

图2是现有技术中具有电源针和信号针的压接连接器示意图；

图3是现有技术中压接连接器外形示意图；

图4a是现有技术中安装压接连接器的通孔截面图；

图4b是现有技术中压接连接器与通孔压接配合示意图；

图5是本发明中电源通孔双直径截面图；

图6是本发明中电源通孔双直径俯视图；

图7是本发明中信号通孔双直径截面图；

图8是本发明中信号通孔双直径俯视图；

图9是本发明中双径通孔技术与现有技术中通孔技术回损对比示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种电路板通孔，用于安装压接连接器，通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，第一部分通孔与第二部分通孔互通，其第一部分通孔与电路板顶层连接，第二部分与电路板底层连接，第一部分通孔与第二部分通孔的孔径不同。其中，通孔连接压接连接器的电源针时，第一部分通孔的孔径小于第二部分通孔的孔径，第二部分通孔的孔径由针间距和通孔需要承受的电流确定。通孔连接压接连接器的信号针时，第一部分通孔的孔径大于第二部分通孔的孔径，第二部分通孔的孔径由电路板厚径比确定。

参考图5，为本发明电源通孔双直径截面图，T_H表示整个通孔的长度，也是电路板的厚度，Lp指压接连接器中电源针要求的压接厚度，Ltotal表示该压接连接器中电源针的总长度，D1表示顶层(即器件层)的通孔直径，具有D1直径的通孔称为第一部分通孔，D11表示底层的通孔直径，具有D11直径的通孔称为第二部分通孔。第一部分通孔的深度为压接连接器的压接厚度Lp。

参考图6，为本发明电源通孔双直径俯视图，该通孔共由2部分不同大小直径的第一部分通孔和第二部分通孔组成。图6中D1为在压接连接器的压接厚度要求即Lp长度内的通孔直径，图中D11为剩下部分(即≤T_H-Lp)其通孔直径，可见D1＜D11。其中，D1大小由压接连接器的针决定，恰好实现压接，是固定值，D11具体孔径直径由针之间的间距和电流大小决定，另外，孔径直径还需要满足厚径比，即PCB厚度/钻孔直径，通常电源孔径的厚径比为13左右。本发明实施例通过增加孔与铜皮的接触面积，从而增加载流能力，可以减少相应的电源层，减少成本。

参考图7，为本发明中信号通孔双直径截面图，T_H表示整个通孔的长度，也是电路板的厚度，Lp指压接连接器中信号针要求的压接厚度，Ltotal表示该压接连接器中信号针的总长度，D2表示顶层的通孔直径，D22表示底层的通孔直径，T表示顶层，B表示底层，L2至Ln表示内层走线层。第一部分通孔的深度为压接连接器的针脚长度Ltotal。

参考图8，为本发明信号通孔双直径俯视图，该通孔共由不同大小直径的孔第一部分通孔和第二部分通孔组成。图8中D2在压接连接器信号针总长度内即Ltotal长度内的通孔直径，图中D22为剩下部分(即≤T_H-Ltotal)通孔直径，可见D2＞D22。其中，D2大小由器件针决定，实现压接连接器的压接，是固定值，D22具体通孔直径主要由电路板厚径比决定，满足厚径比，即电路板厚度/通孔直径，例如，信号孔径的厚径比可以为8左右。由于在高速信号领域里，通孔呈容性，且孔直径越大，其电容效应越明显，阻抗不连续性越大，容性对高速信号有着很大的负面影响，因此，该发明通过减小通孔直径，降低其电容效应，可以有效改善信号质量，提高系统性能。

下面结合实际背板PCB设计详细描述方案实现过程。

设一20层的PCB背板，板厚6mm，器件装配在顶层，以图1中的连接器表示一个完整的压接连接器。对于电源针，要求传送16安培电流，连接器左边一共8个电源针，电源和地针各4个，单个电源针的通孔需要承受4安培大小的电流。其参数为：要求电路板的通孔直径D1为30mil，压接厚度Lp至少2mm，针总长Ltotal为4±0.2mm。对于信号针，需要传输6.25G速率的差分信号，其参数为：通孔直径D2为18mil，压接厚度Lp至少1.8mm，信号针总长Ltotal为3.7±0.2mm。

对于压接连接器电源针对应的通孔，由器件参数可以得到对应图5中的参数：D1＝30mil。T_H＝6mm＝236.2mil，Lp＝2mm＝78.7mil，Ltotal＝4.2mm＝165.4mil，B1＝34mil。直径为D11的第二部分孔径长度为：T_H-Lp＝236.2-78.7mil＝157.5mil。由于每个常规孔径需要过4安培电流，假设温升10度，1盎司的铜厚，约为1.4mil左右铜厚，按照通孔电流计算公式可计算出。例如：

现在常用的一个通孔的电流计算公式如下：

I＝0.0597*ΔT^0.44*(Tcopper*Dmil)^0.725

其中，ΔT：指温升，单位为℃；T_copper：指走线铜厚，单位为Ozmil；D：指钻头直径(前面讲的钻孔大小一般指成品孔大小，钻头直径一般比成品孔直径大2mil左右)，单位为mil。

根据上述公式，可以得到：30mil大小的通孔与平面连接处能承受2.04安培，因此，要保证该电源针中4安培电流能正常传送到PCB，至少需要2层1盎司铜与该针连接，且载流裕量很小。若用2盎司的铜厚，同样温升的情况下只能过3.2安培，因此还是需要至少2层铜与该针连接。而在相同铜厚及层数前提下，可以通过加大孔径，增加通过电流能力。

根据两个针间距B1可知，D11不可能无限大，首先需要满足可加工要求。如B1＝34mil，该距离为除去焊盘后的空气间距，根据现在的常规加工能力，14mil的空气间距可以满足普通加工要求。(34-14)/2＝10mil，说明一个孔单边可以加宽10mil，最后综合下来，D11＝30+10*2＝50mil。最后根据通孔电流计算公式可得，同样10度的温升和在1盎司铜厚的情况下，50mil的通孔可以过3.05安培；同样的温升和在2盎司铜厚的情况下，50mil的通孔可以过5.03安培。可见，若用2层1盎司的铜厚与通孔连接，采用加大孔径后，可以很好的保证PCB通孔载流，裕量较大；若用2盎司的铜厚与通孔连接，采用加大孔径后，可以只用一层铺铜就可以满足载流要求，且有一定裕量。可见，增大孔径可以提高载流，通过增加铜厚能减少铺铜层数，从而降低了成本。

该计算只是一个例子，实际设计时需要根据具体情况和要求来正确计算孔径能加宽的数量级，并由加宽值计算能承受的相应电流，以确定实际面积和具体层数。

对于高速信号针对应的通孔PCB处理：由器件参数可以得到对应图7中的参数：D2＝18mil，T_H＝6mm＝236.2mil，Lp＝1.8mm＝70.9mil，Ltotal＝3.9mm＝153.4mil，，直径为D22的第二部分孔径长度为：T_H-Ltotal＝236.2-153.4mil＝82.8mil，6.25G高速走在第19层。

通孔的造成的容性和阻抗不连续性对高速信号有很大影响，减小通孔孔径可以减小容性效应，提高信号质量。因此希望在除去针长后PCB的通孔部分其孔径尽可能小。其中，通孔等效容性计算公式例如：

C＝1.41εrTD₁/(D₂-D₁)

其中，C：通孔寄生电容，单位：pf(皮法)；εr：电路板相对介电常数；T：PCB板厚度，单位：in(英寸)；D2：隔离盘直径大小，单位：in；D1：通孔焊盘直径，单位：in。另外，在公式中，通孔等效容性计算是计算焊盘大小，但一般钻孔越大，焊盘越大，且对于高速信号，一般都会去掉非连接层的焊盘，所以，本实用新型中主要强调通孔直径，略去焊盘。

如图中D22为需要减小的孔径，孔径大小在此时由电路板厚径比决定，在该例子中，除去针长的部分的电路板厚度即D22的长度为82.8mil。该厚度内需要满足10的厚径比，82.8/10＝8.28≈8mil，因此，D22最小可以为8mil。普通通孔和做了双直径通孔的信号回损仿真比较见图9，图中实线为现有技术中标准通孔在工作频率6.25G处回损曲线，图中虚线为使用了本发明双直径通孔技术的回损曲线，因此本发明的信号比普通信号质量有很大改善。注意：因层叠、板材、走线模式等因素影响，本图仅表示双直径通孔优化后对信号的改善趋势，并不提供相应的数据对应点。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电路板通孔，用于安装压接连接器，其特征在于，所述通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔互通，其所述第一部分通孔与电路板顶层连接，所述第二部分与电路板底层连接，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔的孔径不同。

2.如权利要求1所述电路板通孔，其特征在于，所述通孔连接压接连接器的电源针时，所述第一部分通孔的孔径小于所述第二部分通孔的孔径。

3.如权利要求2所述电路板通孔，其特征在于，所述第二部分通孔的孔径由针间距和通孔需要承受的电流确定。

4.如权利要求2所述电路板通孔，其特征在于，所述第一部分通孔的深度为所述压接连接器的压接厚度。

5.如权利要求1所述电路板通孔，其特征在于，所述通孔连接压接连接器的信号针时，所述第一部分通孔的孔径大于所述第二部分通孔的孔径。

6.如权利要求5所述电路板通孔，其特征在于，所述第二部分通孔的孔径由电路板厚径比确定。

7.如权利要求6所述电路板通孔，其特征在于，所述第一部分通孔的深度为所述压接连接器的针脚长度。

8.一种电路板，具有安装压接连接器的通孔，其特征在于，所述通孔包括第一部分通孔和第二部分通孔，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔互通，其所述第一部分通孔与电路板顶层连接，所述第二部分与电路板底层连接，所述第一部分通孔与所述第二部分通孔的孔径不同。

9.如权利要求8所述电路板，其特征在于，所述通孔连接压接连接器的电源针时，所述第一部分通孔的孔径小于所述第二部分通孔的孔径。

10.如权利要求8所述电路板，其特征在于，所述通孔连接压接连接器的信号针时，所述第一部分通孔的孔径大于所述第二部分通孔的孔径。