By Cadence
本文要點
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PCB 設計中可以使用多少不同的過孔 (Vias)？ |
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在設計中使用大量過孔將導致的組織問題。 |
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如何利用 Allegro 的約束 (Constraint) 管理系統來有效管過孔的使用。 |
羅列任務清單的方式有時對工作非常有幫助，同樣地，PCB CAD 系統的創建者也認識到了這一方法的有效性，從而創造了實用的工具來整理電路板設計中的不同資料物件。
曾幾何時，PCB 版圖只需要極少的形狀和尺寸來放置走線、焊盤 (Pad) 和過孔 (或稱貫孔, Via) 設計物件。不僅是當時的設計不需要很多尺寸和形狀，而且早期用於製造電路板的底片繪圖器也沒有能力創建更多尺寸和形狀。不過，隨著 PCB 設計變得越來越複雜，雷射繪圖器取代了傳統的向量繪圖器，如今設計物件的尺寸和形狀的數量以及多樣性出現了成倍增長。
相應的，對於當今複雜的 PCB 版圖，設計師可以使用約束 (Constraints) 來管理過孔 (Via)，從而規整在設計中使用的物件數量。就像使用任務清單一樣，這些約束系統可以讓過孔保持整齊有序，並將其分配到各自所屬的網路 (Nets) 中。本文將瞭解約束系統可以解決哪些問題，以及如何有效使用這些工具來規整 PCB 設計。
對於 PCB 設計來說，最多可以使用多少種不同的過孔類型和尺寸？
高速印刷電路板設計中的過孔
正如前文所述，以前，PCB 設計中可使用的過孔 (Via) 數量是有限制的。設計師不僅要根據底片繪圖器上的可用孔徑來確定其走線寬度、焊盤形狀和過孔尺寸，而且設計工具也往往不支援許多不同的尺寸和形狀。然而，隨著目前用於 PCB 製造的 CAD 工具和成像工藝不斷發展，這些限制已經不再適用。根據特定 PCB 設計的需要，設計師可以使用許多種不同的過孔類型和形狀，沒有上限。這些過孔類型和形狀包括：
過孔類型 Via Types
在 PCB 設計中，主要有三種過孔類型：
1. | 通孔 (Thru-hole vias) 是最常見的，也是最容易製作的。不過，它們確實有最小尺寸限制，在高密度設計中也會佔用很多空間。 |
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2. | 盲孔 (Blind vias) 和 埋孔 (Buried vias) 要麼從外層開始，只部分穿過板層疊構 (盲孔)；要麼只在內層之間穿過 (埋孔)。與標準過孔相比，製作這些過孔需要更多的工藝步驟。但由於信號完整性的原因，加之可以在其上方和 / 或下方開闢額外的佈線通道，這些過孔的長度較短，在設計中更為理想。 |
3. | 微型過孔 (Microvias) 也被稱為鐳射鑽孔 (laser-drilled vias)，只跨越兩層；是密集的小間距高引腳數元器件的理想佈線方式。 |
過孔尺寸 Via Sizes
過孔的尺寸差距很大，具體取決於所需孔的大小。標準鑽頭通常不能鑽出小於 0.15mm 的孔，比這更小的孔是必須用鐳射才能鑽出的微孔。
過孔鑽頭的尺寸取決於鑽頭與電路板厚度的長寬比，較厚的電路板需要較大的過孔以防止鑽頭斷裂。通常，PCB 上允許的最小過孔尺寸將用於信號佈線，而較大的過孔尺寸將用於高電流網，如電源和接地連接。
過孔用途 Via Purposes
過孔有許多不同的用途，根據具體的用途，過孔的類型和尺寸也隨之變化。例如，小通孔通常用於電路板上的佈線，而大尺寸的通孔則可能用於電源和地線的連接，或者將接地平面拼接成網格狀的圖案。
尺寸更大的過孔可用於在運行溫度過高的元器件下方進行散熱，從而幫助電路板散熱。也可以將通孔或盲孔標記為 PCB 測試點，有些設計甚至可以將標記為測試點的過孔形狀從圓形改為方形。
因此，PCB 設計中可能會使用很多不同尺寸和形狀的過孔。那麼問題是，在設計中管理這麼多過孔可能會造成一片混亂。
使用 PCB 設計工具的過孔列表功能，將多個過孔分配給一個網路 (net)
PCB 版圖中過孔的組織問題
上圖顯示的是 CAD 系統中一個網路 (net) 中可使用的過孔清單 (Via list)，而其餘的網路可能在使用完全不同的過孔。此外，在 PCB 設計中，還有許多其他智慧設計物件必須與過孔一起管理，這進一步增加了設計的複雜程度。而走線寬度、佈線拓撲結構和間距要求只是其中的幾項，設計師必須根據對版圖最有利的方式仔細設置使用規則。
除此之外，為了使電路板達到預期性能，通常必須要符合一些與特定網路 (nets) 相關的要求，這進一步增加了設計的複雜性。例如，一些高速網路可能被限制在某些層，意味著這些網路需要一個特定的盲孔或埋孔，來確保它們位於所需的層。
雖然設計師也能在腦海中追蹤這些限制，並為網路 (nets) 使用合適的過孔，但當設計中有數百條這樣的規則需要管理時，僅憑大腦記憶是遠遠不夠的。諸如此類的情況是導致設計失誤的主要原因，這些錯誤會造成電路板在運行過程中性能不良或徹底報廢。因此，設計師需要設計工具中具有實用程式，來管理電路板上的大量過孔及其網路分配。
使用約束管理系統將過孔 (vias) 分配給 PCB 版圖中的各個網路 (nets)
在 PCB 設計使用約束 (Constraints) 來管理過孔
在 PCB 版圖中管理過孔和其他智慧設計資料的最佳應用之一是設計約束管理系統。上圖是 Cadence PCB 設計工具中的約束管理器 (Constraints Manager)。該系統具有進階的試算表式使用者介面，可以方便地輸入並編輯試算表單元中的資料。透過試算表中的各種功能表，無需打字輸入，就可以從列表中快速挑選特定的項目，如過孔 (Vias) 或網路名稱 (Net name)。
利用這種約束管理系統可以輕鬆創建專案的規則，如單個網路 (nets) 的走線寬度和間隙。還可以用網路分類功能將不同的網路組合成群組，然後為這些類別分配規則。除了佈線，約束管理系統還可以設置電氣、器件和可製造性設計 (DFM) 規則，以檢測有可能影響電路板可製造性的問題。
這種試算表式的約束系統有助於整理和設計版圖，以便確保將電路板送去製造和組裝之前，版圖中不存在任何問題。下面仔細瞭解一下如何在此類約束管理系統中使用過孔。
在 Allegro 的 Constraint Manager 中為 PCB 設計設置過孔
設計工具示例：過孔約束管理系統
以 Cadence Allegro® PCB Editor 工具為例，使用 約束管理器 (Constraint Manager) 的操作非常簡單直接，甚至可以在版圖或電路圖中執行。如上圖所示，不同的過孔 (vias) 已經被添加到 Constraint Manager 中顯示的網路 (nets) 上。
我們可以選擇單個 nets 來添加 vias，也可以在管理器中一次選擇多個 nets 來為所有 nets 添加相同的 vias。這些 vias 可以從設計中可用的 vias 列表中獲取，而 vias 列表既可以由設計師創建，也可以從資料庫中導入。在 nets 規則中設置好 vias 後，設計師就可以進行佈線，並且能確認已為電路板的每個 nets 使用正確的 vias。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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