添加通孔缝合和通孔屏蔽

概览

本文介绍了 Altium Designer 中过孔缝合与过孔屏蔽的区别、各自的用途,以及如何通过类似的工作流程实现这两种技术。文章将逐步讲解如何为网络添加缝合过孔,概述与放置、间距和过孔样式相关的关键设置选项,并说明如何在放置后编辑现有过孔组。如果您想更清楚地了解何时使用过孔缝合或过孔屏蔽,以及如何在 PCB 编辑器中进行配置,本指南将帮助您轻松掌握操作流程。继续阅读,让您的 PCB 布局工作更加高效。

- 您将了解过孔缝合和过孔屏蔽的作用,以及它们在 PCB 设计中的不同用途。
- 您将了解如何在 Altium Designer 中添加缝合过孔或屏蔽过孔,包括用于控制放置方式和过孔属性的主要对话框选项。
- 您将掌握有关间距、连接行为、多边形铺铜重新填充以及编辑现有过孔组的重要注意事项。
使用 AI 深入了解:

过孔缝合是一种用于连接不同层上较大铜区域的技术,可在电路板结构中形成牢固的垂直连接,有助于保持低阻抗并缩短回流环路。过孔缝合还可将原本可能孤立的铜区域连接回其所属网络。

过孔屏蔽的作用有所不同。在射频设计中,它用于帮助减少承载射频信号的走线中的串扰和 电磁干扰。 过孔屏蔽也称为过孔围栏或栅栏,通过沿信号走线路径的一侧或两侧放置一排或多排过孔来实现。在 Altium Designer 中,这称为过孔屏蔽。

Altium Designer 同时支持过孔缝合和过孔屏蔽。由于添加缝合过孔或屏蔽过孔的过程相似,本页将介绍这两项功能。

 
 
 
 
 

过孔缝合有助于在电路板中形成牢固的垂直连接,从而保持阻抗并缩短回流环路。

过孔屏蔽用于创建“围栏”,以 保护网络免受串扰和 电磁干扰。

 

添加缝合过孔

过孔缝合作为后处理过程运行,在空闲铜区域中填充缝合过孔。 要进行过孔缝合,不同层上必须存在属于指定网络且相互重叠的铜区域。支持的铜区域包括:Fills、Solid Regions、 Polygons 和 Power Planes。

要向网络添加缝合过孔,请从菜单中选择 Tools » Via Stitching/Shielding » Add Stitching to Net 命令。随后将打开 Add Stitching to Net 对话框,您可以在其中指定 Net、 Stitching Parameters 和 Via Style。单击 OK 按钮后,缝合算法会识别连接到所选网络的所有填充、实心区域、多边形覆铜和电源平面,并尝试使用指定的过孔和缝合图案,将它们贯穿电路板连接起来。 

新的缝合过孔组在 Add Stitching to Net 对话框中配置,现有过孔组则可在 Via Stitching 对话框()或 Properties 面板()中编辑。下面介绍这三处的各个字段。

过孔缝合注意事项

  • 首先选择要用于缝合的 Net,因为这会影响其他选项的行为,例如单击 Load values from Routing Via Style Rule 按钮时的行为。如果已在设计空间中选中网络,则打开 Add Stitching to Net 对话框时会自动选择该网络。

  • 屏蔽过孔通过 VSn 标识:Via Stitching,其中数值 n 表示该过孔与具有相同数字标识符的其他过孔属于同一个过孔缝合联合体。

  • 过孔连接样式(热焊盘连接或直接连接)的确定方式如下:对于多边形,由适用的多边形连接样式设计约束定义;对于电源平面,由适用的平面连接样式设计约束定义;对于实心区域和填充,则采用直接连接。

  • 缝合完成后,需要对所有受影响且过孔采用热焊盘连接方式的多边形重新铺铜。

  • 每组缝合过孔都会添加到一个联合体中,将 PCB 面板设置为 Unions 模式即可查看这些联合体()。

  • 要编辑一组缝合过孔,请双击该组中的任意过孔以打开 Via Stitching 对话框;如果已配置为双击时打开 Properties 面板,则会打开该面板()。也可以从左向右拖出一个完全框选矩形,使其包含一个或多个缝合过孔,然后在 Properties 面板中编辑设置。

  • 要删除该组过孔,请运行 Tools » Via Stitching » Remove Via Stitching Group 命令,然后单击该组中的任意过孔。 

  • 过孔缝合算法按以下方式处理多边形、填充、实心区域和电源平面:

    1. 同一网络上的多边形、区域和填充,只要在不同层上相互重叠,就会进行缝合。如果其他网络上的多边形、区域或填充在该区域内(另一层上)存在重叠,则不会在该区域内进行缝合。其他网络上重叠的平面区域则会被穿过。

    2. 目标网络上重叠的平面区域始终会进行缝合,不受其他网络所连接的平面区域(位于另一层上)的影响。如果同一区域内存在重叠的多边形、区域或填充,则适用上述规则 1。

      To summarize these two rules - 在其他层上,缝合过孔始终会穿过其他网络的平面层,但不会穿过其他网络的多边形、区域或填充。如果设计中需要放置缝合过孔的区域内包含其他网络的多边形,请先暂时搁置这些多边形,定义缝合过孔,然后恢复这些多边形并重新铺铜。了解有关搁置多边形和重新铺铜的更多信息。 

修改过孔缝合区域

每个独立过孔缝合区域中的过孔会归为一个联合体。可以移动整个联合体,也可以调整该区域的大小。

从左向右拖出选择框以选中缝合区域,然后将鼠标移至相应位置,待出现正确的光标后,即可移动该区域或调整其大小。

为网络添加屏蔽过孔

过孔屏蔽用于隔离网络,防止附近信号产生的潜在干扰或耦合。屏蔽过孔的间距必须适合需要防护的最高频率。正确设计屏蔽结构至关重要;如果过孔围栏的间距对应附近信号的谐振频率,设计不当的围栏实际上可能加剧 EMI 问题。有关详细讨论,请参阅 过孔屏蔽注意事项部分。

要在已布线的网络周围放置过孔屏蔽,请从菜单中选择 Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net 命令。随后将显示 Add Shielding to Net 对话框,您可以根据需要在其中配置 Net to Shield 和其他 Shielding Parameters、参考 Net 以及 Via Style。过孔将沿所选网络的两侧放置,放置位置均须符合适用的设计规则。

新的屏蔽过孔组在 Add Shielding to Net 对话框中配置,现有过孔组则在 Via Shielding 对话框()或 Properties 面板()中编辑。 下面将介绍这三处的所有字段。

过孔屏蔽注意事项

  • 首先选择要屏蔽的 Net ,因为这会影响其他选项的行为,例如单击 Load values from Routing Via Style Rule 按钮时的行为。 如果已在设计空间中选中某个网络,则打开 Add Shielding to Net 对话框时会自动选择该网络。

  • 屏蔽过孔通过 VSHn 标识: Via SHielding,其中数值 n 表示该过孔与具有相同数字标识符的其他过孔属于同一个过孔屏蔽联合体。

  • 过孔的连接方式(热焊盘连接或直接连接)由以下约束定义:对于多边形覆铜,由适用的 多边形连接方式 设计约束定义;对于电源平面,由适用的 平面连接方式 设计约束定义。

  • 完成缝合后,您需要重新铺设所有受影响的多边形覆铜,前提是其适用的多边形连接方式设计规则指定了热焊盘连接方式。

  • 每组屏蔽过孔都会添加到一个联合体中,将 PCB 面板设置为 Unions 模式即可查看这些联合体()。

  • 要编辑一组屏蔽过孔,请双击该组中的任意过孔以打开 Via Shielding 对话框;如果已配置为双击时打开 Properties 面板,则会打开该面板()。或者,从左向右拖动一个包含一个或多个屏蔽过孔的完全框选矩形,然后在 Properties 面板中编辑设置。

  • 要删除该组过孔,可执行 Tools » Via Stitching/Shielding » Remove Via Shielding Group 命令,然后单击组中的任意过孔。

  • 您可以对网络进行局部屏蔽或多网络屏蔽:

    • 如果不想屏蔽整个网络,请先选择所需的走线段,然后启用 Selected Objects 选项进行屏蔽。

    • 要屏蔽多个相邻网络,请在设计空间中选择这些网络,然后启用 Selected Objects 选项进行屏蔽。

    • 请注意,可以使用多网络 Selected Objects 方法屏蔽差分对,也可以在 Net to Shield 下拉列表中选择差分对中的任意一个网络。

  • 使用 Add shielding copper 选项可添加包围屏蔽过孔的多边形覆铜,同时启用 Add clearance cutout 选项可将多边形覆铜裁剪至仅包围过孔的范围。有关这些选项的更多信息,请阅读下文的 为屏蔽过孔添加屏蔽铜皮主题。

屏蔽过孔的尺寸和位置并没有精确的定论,但已有一些基于实测建立的指导原则。 

  • M K Armstrong 在其题为《以最低成本实现 EMC 合规的 PCB 设计技术,第 1 部分》的论文中建议:

“缝合间距不应超过 λ/20,短截线长度也不应超过此值。实际上,这是一条非常实用的规则,适用于在多层设计中将任何接地覆铜缝合到接地平面。λ 是设计中最高有效频率对应的波长(如果未知,则假设频率为 1 GHz),其中:

f = C / λ

注意:对于在 FR4 介质 PCB 中传播的电磁辐射,C(光速)约为自由空间中传播速度的 60%。”

  • 如下文引用的讨论论坛(5) 中所述,对于带有板载天线的 PCB,“过孔之间的距离最大应为谐振波长的 1/4”。 

  • 该论坛讨论(5) 还引用了一份技术说明,其中指出:“通常的经验法则是,缝合过孔的间距不应超过 λ/10,最好采用 λ/20 的间距。”

为屏蔽过孔添加屏蔽铜皮

除了沿走线两侧添加屏蔽过孔外,您还可以添加屏蔽铜皮,如下图所示。为此,请在 Via Shielding 对话框中启用 Add shielding copper 选项。 该铜皮以多边形覆铜的形式创建,因此会遵循适用的 间距和 多边形连接方式设计规则。

Add shielding copper 选项将添加包围屏蔽过孔的多边形覆铜。远离被屏蔽网络的一侧,多边形覆铜边缘将与过孔边缘相接。靠近被屏蔽网络的一侧,多边形覆铜边缘将按照适用的 间距设计规则与网络保持间距。如果同时启用 Add clearance cutout 选项,则多边形覆铜将改为按照 Add Shielding to Net 对话框中的 Distance 设置与被屏蔽网络保持间距。将光标悬停在下图上可查看两者的区别。

启用间距挖空选项时网络周围的屏蔽过孔,以及

禁用间距挖空选项时网络周围的屏蔽过孔。

 

选择或编辑缝合过孔或屏蔽过孔

为简化缝合/屏蔽过孔阵列的操作,这两类过孔都会自动归入联合体。联合体通过 PCB 面板进行管理。

使用 PCB 面板进行选择

要选择阵列,请将 PCB 面板切换至 Unions 模式,并选择所需的 Via Stitching 或 Via Shielding 联合体。如果在面板中启用了 Select 复选框(如下图所示),则属于该阵列的所有过孔都会被选中。或者,双击阵列中的任意过孔,打开 属性面板并编辑该阵列。

使用处于 Unions 模式的 PCB 面板,可选择缝合或屏蔽阵列中的所有过孔。此图中,四个过孔屏蔽联合体均已选中。
使用处于 Unions 模式的 PCB 面板,可选择缝合或屏蔽阵列中的所有过孔。此图中,四个过孔屏蔽联合体均已选中。

交互式选择过孔组

选择行为:

  • 可以选择并删除单个缝合/屏蔽过孔。

  • 如果在 Preferences ()中启用了 Popup Selection Dialog 选项,单击属于某个联合体的单个过孔时,将显示一个包含该联合体的列表,如上图所示。选中联合体后,可以在工作区中删除该过孔联合体,或在 Properties 面板中对其进行编辑。 

  • 如果未启用 Popup Selection 对话框,则单击属于某个联合体的单个过孔时,其行为如下:

    • 第一次单击将选中单个过孔。

    • 第二次及后续单击将按照对象重叠时使用的选择顺序选中下一个对象,例如:元件、多边形覆铜、过孔联合体(如果这些对象位于光标下方)。

    • 或者,在第一次单击选中单个过孔后,按 Shift+Tab 快捷键调用 Select Overlapping 命令。继续按 Shift+Tab 可循环浏览重叠的对象,依次选中每个对象。

  • 对于限定在某一区域内的缝合过孔联合体,可以在联合体中的任意过孔周围拖出一个框内选择窗口(从左向右拖动)来选中它,如本页 修改用户定义的过孔缝合区域部分中的动画所示。

编辑过孔组

选中缝合或屏蔽过孔组后,可以在 Properties 面板的 Via Stitching 或 Via Shielding 模式下编辑其属性。双击组中的任意过孔即可打开该面板。

在 Properties 面板中编辑缝合过孔的示例。在 Properties 面板中编辑缝合过孔的示例。

在面板中编辑属性并按下键盘上的 Enter 后,面板顶部会出现 Changes pending 消息和按钮,单击 Apply 即可完成编辑操作。

延伸阅读

  1. 有关 PCB 设计各方面的信息,请参阅 《印制电路设计与制造杂志》网站。该网站是查阅技术主题的优质资源,例如“via fence”(过孔围栏)的作用(搜索时请包含引号,以提高搜索结果的质量)。

  2. 维基百科文章:过孔围栏

  3. 多层印制电路板中的过孔耦合研究

  4. 一篇介绍电磁波在 PCB 结构内传播基本原理的论文——电路板设计最佳实践

  5. 一个提出了 Via fences for noise reduction of a chip antenna? 问题的讨论论坛

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