高速PCB過(guò)孔的研究

在數字通信系統中，隨著(zhù)PCB布線(xiàn)密 度，布線(xiàn)層數和傳輸信號速率的不斷增加，信號完整性的問(wèn)題變得越來(lái)越突出，已經(jīng)成為高速PCB設計者巨大的挑戰。而在高速PCB設計中，過(guò)孔已經(jīng)越來(lái)越普 遍使用，其本身的寄生參數極易造成信號完整性問(wèn)題，如何減少過(guò)孔本身所產(chǎn)生的信號完整性問(wèn)題，已經(jīng)成為高速PCB設計者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

過(guò)孔是多層高速PCB的重要組成部分，過(guò)孔的費用通?？梢哉嫉秸麄€(gè)PCB費用30%~40%，過(guò)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(guò)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，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(guò)嚴格的物理理論推導和近似分析，可以把過(guò)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(guò)孔的等效電路模型

從等效電路模型可知，過(guò)孔本身存在對地的寄生電容，假設過(guò)孔反焊盤(pán)直徑為D2，過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1，PCB板的厚度為T(mén),板基材介電常數為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于：

過(guò) 孔的寄生電容可以導致信號上升時(shí)間延長(cháng)，傳輸速度減慢，從而惡化信號質(zhì)量。同樣，過(guò)孔同時(shí)也存在寄生電感，在高速數字PCB中，寄生電感帶來(lái)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，從而減弱整個(gè)電源系統的濾波效用。假設L為過(guò)孔的電感，h為過(guò)孔的長(cháng)度，d為中心鉆孔的直 徑。過(guò)孔近似的寄生電感大小近似于：

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

圖 過(guò)孔的三維仿真模型圖(HFSS)

仿真的掃描頻率范圍為0Hz~10GHz，每組仿真結果包括TDR，反射和插入損耗。并詳細分析三種參數與過(guò)孔尺寸變化的對應關(guān)系。

把反焊盤(pán)大小固定為13mil，只變化過(guò)孔直徑（10mil~12mil）；通過(guò)電磁仿真得到TDR，反射，,插入損耗與孔徑的對應仿真圖，從仿真 結果可以看出：隨著(zhù)過(guò)孔的不斷增大，阻抗的不連續性越明顯，插入損耗越大，反射也越大。過(guò)孔直徑由10mil增加到12mil過(guò)程中，阻抗不連續嚴重時(shí)相 差14歐姆左右，同時(shí)引入的插入損耗嚴重時(shí)達到4 dB。所以在高速PCB設計時(shí)盡量控制信號過(guò)孔的直徑，一般不超過(guò)0.3mm，減少過(guò)孔對信號完整性的影響。

把反焊盤(pán)大小固定為 13mil，過(guò)孔直徑固定為10mil，改變過(guò)孔深（59mil~71mil）；通過(guò)電磁仿真得到TDR ,反射，插入損耗與孔徑深度的對應仿真圖；從仿真結果可以得出隨著(zhù)孔徑深度的不斷增加，阻抗不連續性更加明顯，反射更為嚴重，插入損耗會(huì )變得更大。過(guò)孔深 度變化造成的不連續性，反射和插入損耗相沒(méi)有過(guò)孔直徑變化造成的明顯，孔深由59mil變化到71mil過(guò)程中，阻抗嚴重時(shí)差3 dB左右，插入損耗嚴重時(shí)為1 dB左右，反射在0Hz~10GHz內也不是特別明顯。不過(guò)為保證信號完整性，高速PCB設計中PCB疊層越少越好，厚度一般控制在1.5mm以?xún)取?/p>

把 反焊盤(pán)大小固定為13mil，過(guò)孔深度固定為70mil，只改變過(guò)孔焊12mil~20mil），通過(guò)電磁仿真得到TDR，反射，插入損耗與 過(guò)孔焊盤(pán)的對應仿真圖，可以得出孔徑焊盤(pán)的不斷增大，阻抗不連續性越明顯，反射更為嚴重，插入損耗也會(huì )更大。阻抗嚴重時(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設計中對過(guò)孔焊盤(pán)的尺寸也要控制在合理的范圍內，一般小于0.6mm，以減少對信號完整性的影響。

把過(guò)孔焊盤(pán)大 小固定為10mil，過(guò)孔深度固定為70mil，只改變反焊13mil~17mil），通過(guò)電磁仿真得到TDR，反射，插入損耗與過(guò)孔焊盤(pán)的對應仿真圖，可以得出反焊盤(pán)的不斷減小，阻抗不連續性不斷惡化，反射更為嚴重，插入損耗也會(huì )變得大。所以在高速PCB設計中盡量使用較大的反焊 盤(pán)，以便減少反射和插入損耗，優(yōu)化信號傳輸質(zhì)量，改善信號完整性。

光迅科技通 過(guò)建立過(guò)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，過(guò)孔直徑，過(guò)孔深度，過(guò)孔焊盤(pán)和反焊盤(pán)幾種關(guān)鍵參數的變化所帶來(lái)的阻 抗不連續性，反射和插入損耗的嚴重程度；并推薦了高速PCB設計中過(guò)孔常用尺寸和一些重要的設計原則，這些原則能夠為高速PCB設計者提供重要的參考，同 時(shí)可以減少PCB設計中所遇到的信號完整性問(wèn)題，縮短設計周期和開(kāi)發(fā)成本。