Working with Pads & Vias

焊盘与过孔概述

焊盘用于为元件引脚提供机械固定与电气连接 焊盘用于为元件引脚提供机械固定与电气连接

焊盘是一种基本设计对象。焊盘用于将元件固定到电路板上,并在元件引脚与板上布线之间创建互连点。焊盘可以存在于单一层上,例如作为表面贴装器件(SMD)焊盘;也可以是三维的通孔焊盘,在 Z 平面(垂直方向)具有桶状孔壁,并在每个(水平的)铜层上具有一块平面区域。焊盘的桶状孔壁是在制造过程中对电路板钻孔并进行通孔电镀时形成的。在 X 和 Y 平面中,焊盘可以是圆形、矩形、八边形、圆角矩形、倒角矩形或自定义形状。焊盘既可以在设计中作为独立的自由焊盘单独使用,但更常见的是在 PCB Library 编辑器中与其他基本图元一起组合,构成元件封装。

一个跨越并连接顶层(红色)与底层(蓝色)的过孔,同时也连接到一个内部电源平面(绿色)。 
一个跨越并连接顶层(红色)与底层(蓝色)的过孔,同时也连接到一个内部电源平面(绿色)。

过孔是一种基本设计对象。过孔用于在 PCB 的两个或多个电气层之间形成垂直电气连接。过孔是三维对象,在 Z 平面(垂直方向)具有桶状孔壁,并在每个(水平的)铜层上具有一个扁平的环形焊环。过孔的桶状孔壁是在制造过程中对电路板钻孔并进行通孔电镀时形成的。过孔在 X 和 Y 平面中为圆形,类似圆形焊盘。过孔与焊盘的关键区别在于:除了能够贯穿电路板的所有层(从顶层到底层)之外,过孔还可以从表层跨接到内层,或在两个内层之间跨接。

过孔可以是以下类型之一:

  • Thru-Hole – 该类型过孔从 Top 层贯穿到 Bottom 层,并允许连接到所有内部信号层。
  • Blind – 该类型过孔从板表面连接到某个内部信号层。
  • Buried – 该类型过孔从一个内部信号层连接到另一个内部信号层。

设计中可用的过孔类型在 Layer Stack Manager 中定义。要了解更多信息,请参阅 Blind, Buried & Micro Via Definition 页面。

焊盘与过孔的定义也可以存储在焊盘与过孔模板库中;更多信息请参阅 Working with Pad & Via Templates and Libraries 页面。

未链接到外部焊盘/过孔库的焊盘/过孔模板会存储在 PCB 文档内部,从而实现更快的加载时间。

此功能处于 Open Beta 阶段,当在 Advanced Settings dialog 中启用 PCB.Performance.PadViaTemplate.LoadingOptimization 选项时可用。

PCB 编辑器采用“过孔实例化(via instancing)”的概念, 这是一种为过孔实例(而非过孔模板)构建几何形状的方法。它可提升性能,同时减少内存占用与场景构建时间。

此功能处于 Open Beta 阶段,当在 Advanced Settings dialog 中启用 PCB.ViaInstancing 选项时可用。

焊盘与过孔的直接放置

焊盘与过孔可在 PCB 编辑器和 PCB Footprint 编辑器中放置。过孔通常在交互式或自动布线过程中自动放置,但在需要时也可以手动放置。手动放置的过孔称为“自由(free)过孔”。启动焊盘(Place » Pad)或过孔(Place » Via)放置命令后,光标将变为十字准星,并进入放置模式。

  1. 定位光标,然后单击或按 Enter 放置焊盘/过孔。
  2. 继续放置更多焊盘/过孔,或右键单击或按 Esc 退出放置模式。
如果焊盘/过孔放置在已连接到某个网络的对象上方,它将继承该网络名。

放置过程中,按 Alt 键可将移动方向约束为水平或垂直轴,具体取决于初始移动方向。

通常不手动放置过孔;过孔会作为交互式布线过程的一部分自动放置。更多信息请参阅 Via Placement during Interactive Routing 小节。

位于 Multi-layer 层的自由焊盘可以转换为过孔。自由焊盘是指不属于某个父级元件对象的焊盘。在将导入的 Gerber 文件手动转换回 PCB 格式时,把自由焊盘改为过孔会很有用。在设计空间中选择要转换的所有自由焊盘,然后从主菜单选择 Tools » Convert » Convert Selected Free Pads to Vias 命令。自由焊盘将以相同的孔径转换为过孔。焊盘在所有可用 XY 尺寸对(对应不同层上的焊盘尺寸)中找到的最大值将用作过孔直径。

同样,过孔也可以转换为自由焊盘。在导入 PADS-PCB 和 PADS 2000 文件时,将过孔改为自由焊盘会很有用,因为这些文件中使用过孔连接电源层与地层。这样可使用可编辑的焊盘实现与内部电源平面的正确连接。在设计空间中选择要转换的所有过孔,然后从主菜单选择 Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads 命令。过孔将转换为相同样式(SimpleTop-Middle-BottomFull Stack)且孔径相同的自由焊盘。过孔直径将用于适用层上的焊盘 XY 尺寸。焊盘形状将设置为 Round

图形化编辑

焊盘与过孔除位置外,无法通过图形方式修改其属性。

  • 要移动自由焊盘并同时移动已连接的走线,请单击、按住并拖动焊盘。移动过程中,已连接的布线将保持与焊盘相连。注意:如果焊盘属于某个元件,则焊盘不会移动。
  • 要在 PCB 或 PCB Library Editor 中移动自由焊盘但不移动已连接的走线,请选择 Edit » Move » Move 命令,然后单击、按住并拖动焊盘。
  • 如果你单击并拖动选择框圈选 component 焊盘,它们不会被选中,因为它们实际上是元件的子对象。要仅子选焊盘,请在单击并拖动选择窗口时按住 Ctrl
  • 如果为了腾出更多布线或元件空间而需要连同走线一起移动过孔,重新布线往往比移动走线更高效。软件包含一个名为 Loop Removal 的功能。启用该功能后,你沿新路径进行布线(起点与终点位于原始走线的某处);当你右键退出交互式布线模式时,旧走线(回路)会被移除,包括任何冗余过孔。

通过属性面板进行非图形化编辑

此编辑方法使用 Properties 面板的相应模式来修改焊盘/过孔对象的属性。

焊盘与过孔热焊盘(Thermal Relief)

Properties 面板中 Pad Stack / Via Stack 区域的 Thermal Relief 字段汇总了当前应用的热焊盘配置。例如,Relief, 15mil, 10mil, 4, 90 表示:

  • 已应用热焊盘连接;
  • 气隙(air gap)宽度为 15mil;
  • 热焊盘导体宽度为 10mil;
  • 热焊盘导体旋转角度为 90 度。

Thermal Relief 字段中的复选框被禁用时,焊盘与过孔的多边形热焊盘为 rules-driven,即这些热焊盘由适用的 Polygon Connect Style design rules 定义。对于单个焊盘,可通过为所需层启用相应的 Thermal Relief 选项来自定义热焊盘配置。在这种情况下,热焊盘被视为 custom。了解更多:Defining Custom Thermal Reliefs

阻焊与钢网(Paste)扩展

阻焊会在每个焊盘/过孔位置的阻焊层上自动生成。阻焊以负片方式定义,即放置的对象在阻焊层上定义开窗。钢网会在每个焊盘位置的钢网层上自动生成。在掩膜层上生成的形状为焊盘/过孔形状,并按 PCB 编辑器中设置的 Solder Mask ExpansionPaste Mask Expansion 设计规则指定的量进行扩展或收缩,或按 Properties 面板中的指定值进行处理。

显示阻焊的焊盘。
显示阻焊的焊盘。

当你编辑焊盘或过孔时,会分别在 Properties 面板的 Pad StackSolder Mask Expansion 区域看到阻焊与钢网扩展设置。虽然这些设置用于让你对单个焊盘/过孔的扩展需求进行局部控制,但通常不需要使用它们。一般来说,通过在 PCB 编辑器中定义合适的设计规则来控制钢网与阻焊需求更容易。使用设计规则时,可以先用一条规则为板上所有元件设置扩展;如有需要,再添加其他规则来针对特定情况,例如板上某种特定封装类型的所有实例,或某个特定元件上的某个特定焊盘等。

  

在设计规则中设置掩膜扩展:

  1. 确认在 Properties 面板的 Pad Stack 区域中(针对焊盘)已选择 Rule Expansion 选项作为 Shape;并/或确认在 Properties 面板的 Solder Mask Expansion 区域中(针对过孔)已选择 Rule 选项。

  2. 在 PCB 编辑器中,从主菜单选择 Design » Rules,并在 PCB Rules and Constraints Editor dialog 中查看 Mask 类别的设计规则。当封装放置到 PCB 上时,将遵循这些规则。

若要覆盖扩展设计规则并将掩膜扩展作为焊盘/过孔属性来指定,请在 Properties 面板的 Pad Stack 区域中(针对焊盘)选择 Manual Expansion 作为 Shape;并/或在 Properties 面板的 Solder Mask Expansion 区域中(针对过孔)选择 Manual,然后输入所需值。

通孔焊盘的钢网层在 Draftsman 文档以及 Gerber、Gerber X2、ODB++、IPC-2581 和 PCB Print 输出中受支持。
对于焊盘,你也可以从一组标准的预定义掩膜形状中手动选择,或创建自定义形状 – learn more

焊盘与过孔盖油(Tenting)

通过为 Solder Mask Expansion 定义合适的数值,可以实现焊盘与过孔的部分或完全盖油。该扩展约束既可以在 Properties 面板中按对象逐一设置,也可以通过定义合适的 Solder Mask Expansion 设计规则来实现。将扩展值设置为合适的数值后,你可以实现:

  • 对焊盘/过孔进行部分盖油——仅覆盖焊盘环形区(land area),将 Expansion 设为负值,使阻焊收缩并紧贴到焊盘/过孔孔边。
  • 对焊盘/过孔进行完全盖油——覆盖焊盘环形区与孔,将 Expansion 设为等于或大于焊盘/过孔半径的负值。
  • 对单层上的所有焊盘/过孔盖油,设置合适的 Expansion 值,并确保 Solder Mask Expansion 规则的作用范围(Full Query)覆盖所需层上的所有焊盘/过孔。
  • 在定义了不同过孔尺寸的设计中,要完全盖油所有焊盘/过孔,将 Expansion 设为等于或大于最大焊盘/过孔半径的负值。对单个焊盘/过孔进行盖油时,可选择跟随适用设计规则中定义的扩展,或覆盖该规则并直接对该焊盘/过孔应用指定扩展。

测试点

Related page: 在板上分配测试点

软件对测试点提供完整支持,允许将焊盘(通孔或 SMD)和过孔指定为制造和/或装配测试中的测试点位置。通过设置焊盘/过孔的相关测试点属性来提名其作为测试点——它应作为制造测试点还是装配测试点,以及应在板的哪一侧用作测试点。这些属性可在 Properties panel 的 Testpoint 区域中找到。

为简化流程并减轻手动设置测试点属性的需求,软件提供了一种方法:基于已定义的设计规则,并使用 Testpoint ManagerTools » Testpoint Manager)来自动分配测试点。在每种情况下,这种自动分配都会为焊盘/过孔设置相应的测试点属性。

焊盘细节

焊盘标号

每个焊盘都应标注一个标号(通常表示器件引脚编号),长度最多为 20 个字母数字字符。如果初始焊盘的标号以数字字符结尾,则在放置过程中焊盘标号会自动递增 1。放置前可在 Properties 面板中更改第一个焊盘的标号。

要实现字母递增(例如 1A1B),或实现除 1 之外的其他数字递增方式,请使用 Setup Paste Array dialog,该对话框可通过在 Paste Special dialogEdit » Paste Special)中按下 Paste Array 按钮打开。

粘贴阵列功能

在将焊盘复制到剪贴板之前先设置其标号,即可使用 Setup Paste Array 对话框在焊盘放置时自动应用标号序列。通过在 Setup Paste Array 对话框中使用 Text Increment 字段,可以放置以下焊盘标号序列:

  • 数字(1、3、5)
  • 字母(A、B、C)
  • 字母数字组合(A1 A2、1A 1B、A1 B1,或 1A 2A 等)

要按数字递增,将 Text Increment 字段设置为你希望递增的数值。要按字母递增,将 Text Increment 字段设置为字母表中对应“要跳过的字母数量”的字母。例如,如果初始焊盘标号为 1A,将该字段设为 A(字母表第一个字母)即可使标号按 1 递增。如果将该字段设为 C(字母表第三个字母),则标号将变为 1A、1D(A 之后三个字母)、1G,依此类推。

跳线连接

跳线连接用于定义器件焊盘之间的电气连接,这些连接在 PCB 上并不通过任何图元进行物理布线。它们在单层板上尤其有用,因为可以用导线跨越同一物理层上的走线。

组件内的焊盘可以在 Properties 面板中用一个 Jumper 值进行标记。共享相同 Jumper 且属于同一电气网络的焊盘,会告知系统它们之间存在合法的(尽管物理上未连接的)连接。

在 PCB 编辑器中,跳线连接显示为弯曲的连接线。设计规则检查器不会将跳线连接报告为未布线网络。

过孔细节

定义过孔属性

虽然每种过孔类型的跨层(Z 方向)要求是在 Layer Stack Manager 的 Via Types 选项卡中定义的,但过孔的尺寸属性由以下方式定义:

配置 Routing Via Style 设计规则

Main page: 定义、限定范围与管理 PCB 设计规则

在交互式布线、ActiveRouting 或自动布线期间放置的过孔,其尺寸属性由适用的 Routing Via Style 设计规则控制。为便于在设计规则中精准定位过孔,规则作用域(Where the Object Matches)中提供了一组与过孔相关的查询关键字;这些关键字在下文 详细说明

当你在布线过程中执行换层时,软件会查看此次换层的起始层与终止层,并从 Layer Stack Manager 中选择一种允许的 Via Type。随后它会识别优先级最高且适用的 Routing Via Style 设计规则,并将该规则 Constraints 部分中的过孔尺寸设置应用到即将放置的过孔上。

例如,你可能有一组 DRAM_DATA 网络在 TopLayerS2 的层间转换以及 S2S3 的层间转换时需要使用 µVia,而在其他所有层间转换时使用钻孔通孔(并且这也不同于其他网络所需的过孔)。这可以通过创建两条 Routing Via Style 设计规则来针对这些 DRAM_DATA 网络实现。下方展示了一个合适的 µVia 设计规则示例,将光标悬停在图片上可显示通孔设计规则。

设计规则可以限定为仅适用于特定类型的过孔。
设计规则可以限定为仅适用于特定类型的过孔。

当过孔放置在自由空间中时,软件无法在放置过程中应用布线样式设计规则。在这种情况下,将放置默认过孔。

Query Keywords

为简化 Routing Via Style 设计规则的作用域限定过程,提供了以下与过孔相关的查询关键字:

Via Type Query Returns
IsVia 所有过孔对象,不论 Via Type。
IsThruVia 所有从顶层跨到最底层的过孔。
IsBlindVia 所有从表层开始、终止于内层且不是 µVia 的过孔。
IsBuriedVia 所有从内层开始、终止于另一内层且不是 µVia 的过孔。
IsMicroVia 所有启用 µVia 选项并连接相邻层的过孔。
IsSkipVia 所有启用 µVia 选项并跨越 2 层的过孔。

使用 Query Helper 中的 Mask 功能可查找可用的过孔相关关键字。在列表中选中某个查询关键字时按 F1,可查看该关键字的帮助。

交互式布线期间的过孔放置

当你在交互式布线期间更改层时,软件会自动插入一个过孔。所选过孔取决于以下因素:

  • 换层所跨越的层在层叠中可用的 Via Type。
  • 针对该次换层所选 Via Type 的适用 Routing Via Style 设计规则。

在交互式布线期间更改层:

  • 按数字键盘上的 * 键切换到下一信号层。
  • 使用 Ctrl+Shift+WheelRoll 组合键在各层之间向上或向下切换。

从 L1 换层到 L4 时放置的堆叠 µVias。Properties 面板的 Interactive Routing 模式会显示将要放置的 Via Type;按 6 可在可能的过孔堆栈之间循环切换;按 8 可显示可能的过孔堆栈列表。

控制交互式布线期间放置的过孔

  • 当你切换布线层时,软件会自动选择最适合该跨层范围的 Via Type。

  • 如果存在多个可用的 Via Type/组合(过孔堆栈),按 6 快捷键可交互式循环切换该次换层可用的所有过孔堆栈,按 8 快捷键可显示列表。过孔堆栈按以下顺序呈现:使用 µVia(s)、使用 Skip µVia、使用盲孔、使用通孔。若换层跨越不止一层且已定义合适的 Via Types,则可放置堆叠过孔。建议的 Via Type 会在状态栏和 Heads Up 显示中给出,例如 [µVia 1:2, µVia 2:3, µVia 3:4],如上图所示。

  • 上一次使用的过孔堆栈会保留为下一条网络布线时的默认值。默认过孔堆栈仅在当前编辑会话中保留。

  • 过孔尺寸属性由适用的 Routing Via Style design rule 指定,关于如何定义合适的 Routing Via Style 设计规则的策略已在上文 讨论

  • 要在执行换层时交互式更改过孔尺寸,按 4 快捷键。这会在以下过孔尺寸模式之间循环:Rule MinimumRule PreferredRule MaximumUser Choice;当前过孔尺寸模式会显示在 Heads Up 显示和状态栏中(如上图所示)。如果选择 User Choice,按 Shift+V 打开 Choose Via Sizes dialog 并选择首选过孔尺寸。对话框中显示的可用过孔尺寸列表来自设计中已使用过的过孔列表,可在 PCB 面板的 Pad and Via Templates mode 中检查这些过孔。

    如果在适用的 Routing Via Style design rule 中使用了 Template preferred 模式,则使用 4 快捷键会在已启用的过孔模板之间循环切换。

  • 建议 Via Type 的侧视图会显示在 Properties 面板中,如上所示。

  • 要放置过孔并在同一层继续布线,按 2 快捷键。

  • 要放置过孔并暂停该连接的布线,按数字键盘上的 / 快捷键。

  • 如果正在布线的网络需要连接到内部电源平面,按数字键盘上的 / 键放置一个连接到相应电源平面的过孔。除 Any Angle 模式外,该功能在所有走线放置模式下均可使用。

  • 布线时按 Shift+F1 可打开包含所有命令内快捷键的菜单。

使用堆叠过孔

  • 形成连续连接的叠层过孔(stacked vias)可以像单个过孔一样进行操作,click and drag 在叠层上即可连同其所连接的走线一起移动它们全部。

  • 单击一次以选择叠层中最上面的过孔。如果鼠标不移动,随后每次单击都会依次选中叠层中的其他过孔。

    如果在 Preferences 对话框的 PCB Editor – General page 中启用了 Display popup selection dialog 选项,单击一组叠层过孔会打开一个选择弹窗,你可以从中选择所需的过孔。

  • Ctrl+Click and drag 以仅移动所选过孔及其连接的走线。

  • 要选择叠层中的所有过孔,先单击一次选中其中一个,然后按 Tab 将选择范围扩展为包含该叠层中的所有过孔。

配置过孔的显示

有多种显示功能可帮助你处理过孔。

过孔颜色

过孔颜色在 View Configuration panel 中配置。过孔的铜环会以 Layers section 中当前的 Multi-Layer 设置显示。过孔孔洞颜色会以 System Colors section 中的 Via Holes 设置显示。你也可以通过切换   来禁用所需设置项的孔洞显示。


第一张图显示的是通孔过孔。第二张图中的过孔是盲孔过孔;孔洞会以起始层与结束层的颜色显示。

过孔与阻焊层

PCB 编辑器中图层的默认呈现方式是始终将 Multi-Layer 显示为最上层。这会导致难以准确查看阻焊层的内容,尤其当焊盘或过孔使用负的阻焊扩展(negative mask expansion)时,阻焊层内容会在多层对象下方消失。你可以在 Preferences 对话框的 PCB Editor – Display 页面中更改图层绘制顺序来解决此问题。将当前层设置为绘制在最上层。

将图层绘制顺序改为“当前层在上”后,当你把 Top Solder 设为当前层时,阻焊开窗会如下面图示那样被准确呈现。绿色箭头显示了阻焊开窗的尺寸:左侧为过孔的开窗,中间为开窗收缩的焊盘,右侧为开窗扩大的焊盘。


配置显示设置,以便检查阻焊开窗。

叠层过孔的显示

如果存在叠层过孔,显示的数字是该叠层中所有过孔的起始层与结束层。将光标悬停在下图上可在 3D 中显示过孔;图右侧是一组由三个过孔组成的叠层。

过孔中可显示跨越的层。将光标悬停可在 3D 中显示过孔。

其他过孔显示设置

要在过孔跨层范围内显示过孔网络名和层号,请在 View Configuration panel 的 View Options 选项卡中 Additional Options 区域分别启用 Via Nets  和 Via Span 选项。

浏览焊盘与过孔孔洞

PCB panel’s Hole Size Editor 模式下,其三个主要区域会变为(自上而下):

  • 用于孔洞类型及其状态的通用筛选,并包含一个子区域用于显示当前为该板定义的层钻孔对(layer drill-pairs)。
  • Unique Holes 按尺寸与形状分组排列。
  • 构成每个孔洞对象分组的单个 Pads/Vias 。


面板各区域会显示对孔洞类型、样式与状态所应用的累计筛选条件。

可在面板的 Unique Holes 区域中,通过在相应列单元格输入数值来对孔洞分组进行批量编辑。你可以在 Hole Size column 中输入数值,以更改该列中焊盘与过孔的当前孔径。


编辑所选分组中六个匹配孔洞样式的孔径。

你也可以在适用时更改孔洞对应的 Hole LengthHole TypePlated 条目。


更改所选分组中六个匹配孔洞样式的孔洞类型。

属于所选孔洞分组的单个焊盘/过孔对象会列在 PCB panel 的下方 Pad/Via section 中。在列表中右键单击某个对象,然后选择 Properties(或直接双击该条目),即可打开该图元对应的 Properties panel 相关模式,在其中查看并编辑其属性。

要在 PCB panel 的 Hole Size Editor mode 中,用 PCB 中当前的钻孔符号数据更新面板,请在该模式下于面板任一区域内右键单击并选择 Refresh 命令。

保存 PCB 文档时,以及生成任何包含该数据的输出时,钻孔符号数据都会自动更新。

为获得更好的性能,钻孔符号数据不会在 PCB panel 中自动更新。当在 Advanced Settings dialog 中禁用 PCB.LiveDrillSymbols  选项时,将提供手动更新钻孔符号数据的能力。

对背钻的支持

PCB panel 的 Hole Size Editor mode 也可用于检查被指定进行背钻的焊盘与过孔。背钻层对会显示在 Layer Pairs 列表中,并通过附加文本 [BD] 来标识。

当选择某个背钻孔径时,这些对象会将其 Kind 显示为 Backdrill。利用此功能可快速定位并检查背钻孔。注意:背钻设置无法在该面板中编辑。

背钻报告

要生成所有背钻事件的报告,请在 Unique Holes 列表中右键单击,然后从右键菜单中选择 Backdrill Report

报告会详细列出每个背钻事件,包括位置、钻孔尺寸与钻孔深度。

要了解更多关于背钻的信息,请参阅 Controlled Depth Drilling, or Back Drilling

对沉孔的支持

PCB panel 的 Hole Size Editor mode 也可用于检查启用了沉孔特性的焊盘。当 PCB 设计中存在在单侧或双侧启用了沉孔(counterbore/countersink)特性的焊盘对象时,相关的 Counterholes Top 和/或 Counterholes Bottom 分组会显示在 Layer Pairs 列表中。Counterhole DepthCounterhole Angle 列可在面板的 Unique Holes 区域中显示。注意:沉孔设置无法在该面板中编辑。

设计中关于沉孔的信息会显示在 PCB panel 的 Hole Size Editor mode 中。
设计中关于沉孔的信息会显示在 PCB panel 的 Hole Size Editor mode 中。

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