工程指南2024年12月12日• 11 min 阅读
Via Sizing: How Many Vias Needed?
快速结论
Calculate the exact number of vias needed for your PCB. Engineering formulas for current requirements with practical examples.
“我需要多少个过孔？”这是 PCB 设计中最常见的问题之一，而且很难回答。过孔太少，您可能会面临热故障或压降问题。太多会浪费电路板空间并增加成本。
本指南为您提供了公式、表格和经验法则，以准确计算您需要的过孔数量，无论是用于电力传输、热管理还是接地缝合。不再猜测。
过孔基础知识：过孔剖析
在计算通孔数量之前，了解决定通孔电流和热容量的因素会有所帮助。
| 参数 | 描述 | 典型值 |
|---|---|---|
| 钻头直径 | 电镀前孔径 | 8-20百万 |
| 成品直径 | 电镀后孔径 | 6-18百万 |
| 电镀厚度 | 桶壁上的铜 | 0.8-150 万 |
| 焊盘直径 | 孔周围的铜环 | 钻 + 8-16 百万 |
| 纵横比 | 板厚/钻孔尺寸 | 6:1 至 12:1 |
关键见解：电流流过通孔筒上的铜镀层，而不是中心。较大的通孔具有更大的电镀表面积，因此电流容量更高。
单通孔电流容量
单个过孔的电流容量取决于镀层厚度、钻头尺寸和允许温升。
| 钻孔尺寸 | 电镀区域 | 电流（10°C） | 电流（20°C） |
|---|---|---|---|
| 6 百万 | 0.47 mil² | 0.4A | 0.5A |
| 800万 | 0.63 mil² | 0.5A | 0.7A |
| 1000万 | 0.78 mil² | 0.7A | 0.9A |
| 1200万 | 0.94 mil² | 0.9A | 1.2A |
| 1500 万 | 1.18 平方英里 | 1.2A | 1.5A |
| 2000万 | 1.57 平方英里 | 1.6A | 2.0A |
这些值假定为标准镀层厚度。对于较厚的镀层，例如 150 万 IPC Class 3，将容量增加约 30%。
如何计算过孔数
有两种实用的方法来确定过孔阵列的大小，具体取决于您最关心的是电流传输还是匹配连接的铜几何形状。
过孔数量=（所需电流÷单过孔容量）×安全系数
方法一：基于电流计算
对于功率传输，将所需电流除以单通孔容量并添加安全系数。
方法2：走线宽度匹配
将总通孔横截面与走线横截面相匹配，以便过渡不会成为瓶颈。
- 对于标准应用，使用1.25安全系数。
- 对于高可靠性或热应力设计，请使用1.5安全系数。
| 走线宽度 | 跟踪区域 | 所需过孔 |
|---|---|---|
| 2000万 | 27 密尔² | 2-3 |
| 5000万 | 68 密尔² | 4-5 |
| 1 亿 | 137 密尔² | 7-8 |
| 2亿 | 274 密尔² | 14-16 |
示例：5A 轨道交叉层穿过 1000 万个过孔，具有 0.7A 单过孔容量，在应用 1.25 安全系数后，需要大约 9 个过孔。
横截面法也很有用：通孔数量 = (走线宽度 × 走线厚度) ÷ 通孔电镀面积。
快速参考：按电流计数过孔
为了快速估算，此表假设 10mil 钻孔、1mil 电镀层和 10°C 温升。
| 当前 | 最小过孔 | 推荐 | 高可靠性 |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 1 | 2 | 2 |
| 1A | 2 | 2-3 | 3 |
| 2A | 3 | 4 | 5 |
| 3A | 5 | 6 | 8 |
| 5A | 8 | 9-10 | 12 |
| 10A | 15 | 18-20 | 25 |
| 15A | 22 | 25-28 | 35 |
| 20A | 29 | 35 | 45 |
需要确切的数字吗？使用通孔电流计算器根据实际电镀、电路板厚度和温升目标来确定阵列尺寸。
按应用确定通孔尺寸
不同的过孔数组针对不同的作业进行了优化。电源转换阵列与导热垫阵列或缝合栅栏不同。
| 应用 | 典型电流 | 过孔尺寸 | 通过计数 |
|---|---|---|---|
| MCU电源 | 100-500毫安 | 1000万 | 2-4 |
| 电机驱动器 | 1-5A | 12-15百万 | 6-12 |
| LED驱动器 | 0.5-2A | 10-12百万 | 3-6 |
| DC-DC输出 | 2-10A | 12-15百万 | 8-20 |
| 电池连接 | 5-20A | 15-20百万 | 15-40 |
| 功耗 | 焊盘尺寸 | 过孔尺寸 | 通过计数 |
|---|---|---|---|
| 0.5W | 3×3毫米 | 1200万 | 4-6 |
| 1W | 4×4毫米 | 12-15百万 | 9-12 |
| 2W | 5×5毫米 | 1500 万 | 12-16 |
| 5W | 8×8毫米 | 15-20百万 | 25-36 |
对于散热焊盘规划，请将这些数字与散热孔与信号孔指南进行比较。
接地缝合过孔
接地缝合使高速信号的返回路径保持较短且可预测。间距取决于您关心的最高频率。
| 最大频率 | 波长 (FR4) | 最大过孔间距 |
|---|---|---|
| 100 MHz | ~1500 毫米 | 150毫米（无需拼接） |
| 500 MHz | ~300 毫米 | 30 毫米 |
| 1 GHz | ~150 毫米 | 15 毫米（6 亿） |
| 2.4 GHz | ~62 毫米 | 6 毫米（2.4 亿） |
| 5 GHz | ~30 毫米 | 3 毫米（1.2 亿） |
经验法则：空间接地缝合过孔的波长为 λ/20 或更小，其中 λ 是最高信号频率处的波长。这可以很好地控制返回路径。
通过放置最佳实践
1.通过阵列供电
- 将过孔以网格图案放置在焊盘下方或沿着走线。
- 使用3×过孔直径周围的最小间距。
- 分配电流，使一个过孔不会成为热点。
- 将过孔均匀分布在铜区域上。
2.热和信号转换
- 将散热孔置于热源下方。
- 对于许多导热垫，使用大约1.0-1.2 毫米间距。
- 将接地过孔放置在信号过孔的 20-30 百万范围内。
- 考虑使用背钻或 HDI 过孔以获得非常快的信号。
通过电压降计算
过孔会增加电阻和温升。在低压轨中，该电阻几乎与加热一样重要。
| 通过钻孔 | 阻力 | 1A 时的 V 形压降 |
|---|---|---|
| 800万 | ~0.6 mΩ | 0.6 mV |
| 1000万 | ~0.5 mΩ | 0.5 mV |
| 1200万 | ~0.4 mΩ | 0.4 mV |
| 1500 万 | ~0.3 mΩ | 0.3 mV |
对于并联的多个过孔，将单过孔电阻除以过孔数量。总路径压降包括走线和过孔，因此请将这些检查与走线宽度计算器配对。
现实世界的例子
示例 1：电机驱动器功率级
设计：12V 电机驱动器，峰值电流 8A，从外部走线到内部平面的层过渡。
过孔钻孔：12 mil → 单过孔容量：0.9A (10°C)
所需过孔：8A ÷ 0.9A = 9 个最小值
1.25× 安全系数：9 × 1.25 = 12 个过孔
排列：电源焊盘下方 3×4 网格，间距 40 mil。
过孔钻孔：12 mil → 单过孔容量：0.9A (10°C)
所需过孔：8A ÷ 0.9A = 9 个最小值
1.25× 安全系数：9 × 1.25 = 12 个过孔
排列：电源焊盘下方 3×4 网格，间距 40 mil。
示例 2：稳压器导热垫
设计：LDO 功耗 1.5W，5 mm × 5 mm 裸露焊盘，连接至接地层。
导热焊盘面积：25 mm²
过孔直径：15 mil (0.4 mm)，带 0.8 mm 焊盘
过孔间距：1.0 mm，实现强热传递
过孔阵列：4×4 = 16过孔
填充选项：塞住或帐篷式以减少焊料芯吸。
导热焊盘面积：25 mm²
过孔直径：15 mil (0.4 mm)，带 0.8 mm 焊盘
过孔间距：1.0 mm，实现强热传递
过孔阵列：4×4 = 16过孔
填充选项：塞住或帐篷式以减少焊料芯吸。
示例 3：USB 3.0 信号转换
设计：USB 3.0 SuperSpeed (5 Gbps) 差分对层转换。
信号过孔：8 mil 钻孔以降低电容
接地过孔：每个信号过孔 2 个，距离约 25 mil
配置：GND-D+-D--GND
考虑背钻以减少过孔存根长度。
信号过孔：8 mil 钻孔以降低电容
接地过孔：每个信号过孔 2 个，距离约 25 mil
配置：GND-D+-D--GND
考虑背钻以减少过孔存根长度。
常见的过孔尺寸错误
仅使用一个通孔进行高电流连接。在常见假设下，单个 1000 万通孔仅安全地承载约 0.7A，因此电源轨通常需要多个并联。
将通孔塞得太近。过于密集的阵列会带来制造风险和较差的电流共享。保持至少 3× 过孔直径间距，4× 通常更安全。
忽略纵横比限制。穿过厚板的微小过孔可能无法可靠地电镀。标准晶圆厂在 8:1 附近比 17:1 更快乐。
忘记平面连接瓶颈。如果通孔群馈入狭窄的走线或不良的平面颈缩，则不会有任何帮助。
摘要：过孔计数公式
对于 1000 万个通孔和 100 万个电镀层、温度升高 10°C 来说，这是一个很好的首次通过捷径。
要获得适合您设计的准确结果，请使用通孔电流计算器。它考虑了通孔尺寸、电镀厚度、电路板厚度和温升。
过孔数 = (电流 ÷ 0.7A) × 1.25
当您需要可视化热区域和阵列布局时，3D 机械检查也可以提供帮助。现代 3D 建模工作流程在电子原型设计过程中越来越有用。
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