高速PCB過孔的研究

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，隨著PCB布線密 度，布線層數(shù)和傳輸信號(hào)速率的不斷增加，信號(hào)完整性的問題變得越來越突出，已經(jīng)成為高速PCB設(shè)計(jì)者巨大的挑戰(zhàn)。而在高速PCB設(shè)計(jì)中，過孔已經(jīng)越來越普 遍使用，其本身的寄生參數(shù)極易造成信號(hào)完整性問題，如何減少過孔本身所產(chǎn)生的信號(hào)完整性問題，已經(jīng)成為高速PCB設(shè)計(jì)者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

過孔是多層高速PCB的重要組成部分，過孔的費(fèi)用通?？梢哉嫉秸麄€(gè)PCB費(fèi)用30%~40%，過孔主要由兩個(gè)作用：不同層的電氣連接和器件的固定 和定位。工藝上分為盲孔，埋孔和通孔。盲孔和埋孔得深度不超過PCB的厚度，只連通PCB中的部分層；通孔則貫穿整個(gè)PCB層，另外由于通孔在工藝上更易 實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以絕大部分PCB只使用通孔，本文主要討論通孔的情況。

若經(jīng)過嚴(yán)格的物理理論推導(dǎo)和近似分析，可以把過孔的等效電路模型為一個(gè)電感兩端各串聯(lián)一個(gè)接地電容，如圖所示。

圖 過孔的等效電路模型

從等效電路模型可知，過孔本身存在對(duì)地的寄生電容，假設(shè)過孔反焊盤直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于：

過 孔的寄生電容可以導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間延長，傳輸速度減慢，從而惡化信號(hào)質(zhì)量。同樣，過孔同時(shí)也存在寄生電感，在高速數(shù)字PCB中，寄生電感帶來的危 害往往大于寄生電容。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，從而減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。假設(shè)L為過孔的電感，h為過孔的長度，d為中心鉆孔的直 徑。過孔近似的寄生電感大小近似于：

為 了量化分析過孔直徑，過孔深度，過孔焊盤和反焊盤幾種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)高速PCB的信號(hào)完整性的影響，本文采用了全波電磁仿真軟件HFSS軟件對(duì)高速 PCB過孔進(jìn)行了三維仿真分析，與傳統(tǒng)的電路等效方式仿真，全波電磁仿真軟件具有仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠，仿真速度快，界面友好等優(yōu)點(diǎn)。為詳細(xì)分析過孔的關(guān)鍵參 數(shù)對(duì)過孔性能的影響，把部分關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為動(dòng)態(tài)，設(shè)置如下：材質(zhì)為FR4，介點(diǎn)系數(shù)為4.4，反焊盤直徑R_antipad變化范圍 10mil~17mil；過孔直徑R_via變化范圍10mil~13mil，過孔焊盤R_pad變化范圍12mil~16mil，過孔深度H_pad變 化范圍59mil~70mil。

圖 過孔的三維仿真模型圖(HFSS)

仿真的掃描頻率范圍為0Hz~10GHz，每組仿真結(jié)果包括TDR，反射和插入損耗。并詳細(xì)分析三種參數(shù)與過孔尺寸變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

把反焊盤大小固定為13mil，只變化過孔直徑（10mil~12mil）；通過電磁仿真得到TDR，反射，,插入損耗與孔徑的對(duì)應(yīng)仿真圖，從仿真 結(jié)果可以看出：隨著過孔的不斷增大，阻抗的不連續(xù)性越明顯，插入損耗越大，反射也越大。過孔直徑由10mil增加到12mil過程中，阻抗不連續(xù)嚴(yán)重時(shí)相 差14歐姆左右，同時(shí)引入的插入損耗嚴(yán)重時(shí)達(dá)到4 dB。所以在高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量控制信號(hào)過孔的直徑，一般不超過0.3mm，減少過孔對(duì)信號(hào)完整性的影響。

把反焊盤大小固定為 13mil，過孔直徑固定為10mil，改變過孔深（59mil~71mil）；通過電磁仿真得到TDR ,反射，插入損耗與孔徑深度的對(duì)應(yīng)仿真圖；從仿真結(jié)果可以得出隨著孔徑深度的不斷增加，阻抗不連續(xù)性更加明顯，反射更為嚴(yán)重，插入損耗會(huì)變得更大。過孔深 度變化造成的不連續(xù)性，反射和插入損耗相沒有過孔直徑變化造成的明顯，孔深由59mil變化到71mil過程中，阻抗嚴(yán)重時(shí)差3 dB左右，插入損耗嚴(yán)重時(shí)為1 dB左右，反射在0Hz~10GHz內(nèi)也不是特別明顯。不過為保證信號(hào)完整性，高速PCB設(shè)計(jì)中PCB疊層越少越好，厚度一般控制在1.5mm以內(nèi)。

把 反焊盤大小固定為13mil，過孔深度固定為70mil，只改變過孔焊12mil~20mil），通過電磁仿真得到TDR，反射，插入損耗與 過孔焊盤的對(duì)應(yīng)仿真圖，可以得出孔徑焊盤的不斷增大，阻抗不連續(xù)性越明顯，反射更為嚴(yán)重，插入損耗也會(huì)更大。阻抗嚴(yán)重時(shí)差5歐姆左右，反射和插入損耗也相 差較為明顯，在高速PCB設(shè)計(jì)中對(duì)過孔焊盤的尺寸也要控制在合理的范圍內(nèi)，一般小于0.6mm，以減少對(duì)信號(hào)完整性的影響。

把過孔焊盤大 小固定為10mil，過孔深度固定為70mil，只改變反焊13mil~17mil），通過電磁仿真得到TDR，反射，插入損耗與過孔焊盤的對(duì)應(yīng)仿真圖，可以得出反焊盤的不斷減小，阻抗不連續(xù)性不斷惡化，反射更為嚴(yán)重，插入損耗也會(huì)變得大。所以在高速PCB設(shè)計(jì)中盡量使用較大的反焊 盤，以便減少反射和插入損耗，優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量，改善信號(hào)完整性。

光迅科技通 過建立過孔三維物理 模型和電磁仿真，研究了在掃描頻率為0Hz~10GHz的范圍內(nèi)，過孔直徑，過孔深度，過孔焊盤和反焊盤幾種關(guān)鍵參數(shù)的變化所帶來的阻 抗不連續(xù)性，反射和插入損耗的嚴(yán)重程度；并推薦了高速PCB設(shè)計(jì)中過孔常用尺寸和一些重要的設(shè)計(jì)原則，這些原則能夠?yàn)楦咚貾CB設(shè)計(jì)者提供重要的參考，同 時(shí)可以減少PCB設(shè)計(jì)中所遇到的信號(hào)完整性問題，縮短設(shè)計(jì)周期和開發(fā)成本。