PCB工程師需要了解的過(guò)孔相關(guān)四大事

作者：時(shí)間：2017-10-27 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　　在一個(gè)高速印刷電路板（PCB）中，通孔在降低信號完整性性能方面一直飽受詬病。然而，過(guò)孔的使用是不可避免的。在標準的電路板上，元器件被放置在頂層，而差分對的走線(xiàn)在內層。內層的電磁輻射和對與對之間的串擾較低。必須使用過(guò)孔將電路板平面上的組件與內層相連。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201710/368872.htm

　　幸運的是，可設計出一種透明的過(guò)孔來(lái)最大限度地減少對性能的影響。

　　1. 過(guò)孔結構的基礎知識

　　讓我們從檢查簡(jiǎn)單過(guò)孔中將頂部傳輸線(xiàn)與內層相連的元件開(kāi)始。圖1是顯示過(guò)孔結構的3D圖。有四個(gè)基本元件：信號過(guò)孔、過(guò)孔殘樁、過(guò)孔焊盤(pán)和隔離盤(pán)。

　　過(guò)孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過(guò)孔連接不同層上的傳輸線(xiàn)。過(guò)孔殘樁是過(guò)孔上未使用的部分。過(guò)孔焊盤(pán)是圓環(huán)狀墊片，它們將過(guò)孔連接至頂部或內部傳輸線(xiàn)。隔離盤(pán)是每個(gè)電源或接地層內的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

　　圖1：?jiǎn)蝹€(gè)過(guò)孔的3D圖

　　2. 過(guò)孔元件的電氣屬性

　　如表格1所示，我們來(lái)仔細看一看每個(gè)過(guò)孔元件的電氣屬性。

　　表1：圖1中顯示的過(guò)孔元件的電氣屬性

　　一個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)孔是一系列的π型網(wǎng)絡(luò )，它由兩個(gè)相鄰層內構成的電容-電感-電容（C-L-C）元件組成。表格2顯示的是過(guò)孔尺寸的影響。

　　表2：過(guò)孔尺寸的直觀(guān)影響

　　通過(guò)平衡電感與寄生電容的大小，可以設計出與傳輸線(xiàn)具有相同特性阻抗的過(guò)孔，從而變得不會(huì )對電路板運行產(chǎn)生特別的影響。還沒(méi)有簡(jiǎn)單的公式可以在過(guò)孔尺寸與C和L元件之間進(jìn)行轉換。3D電磁（EM）場(chǎng)解算程序可以根據PCB布局布線(xiàn)中使用的尺寸來(lái)預測結構阻抗。通過(guò)重復調整結構尺寸和運行3D仿真，可優(yōu)化過(guò)孔尺寸，來(lái)實(shí)現所需阻抗和帶寬要求。

　　3. 設計一個(gè)透明的差分過(guò)孔

　　我們曾在之前的帖子中討論過(guò)，在實(shí)現差分對時(shí)，線(xiàn)路A與線(xiàn)路B之間必須高度對稱(chēng)。這些對在同一層內走線(xiàn)，如果需要一個(gè)過(guò)孔，必須在兩條線(xiàn)路的臨近位置上打孔。由于差分對的兩個(gè)過(guò)孔距離很近，兩個(gè)過(guò)孔共用的一個(gè)橢圓形隔離盤(pán)能夠減少寄生電容，而不是使用兩個(gè)單獨的隔離盤(pán)。接地過(guò)孔也被放置在每個(gè)過(guò)孔的旁邊，這樣的話(huà)，它們就能夠為A和B過(guò)孔提供接地返回路徑。

　　圖2顯示的是一個(gè)地-信號-信號-地（GSSG）差分過(guò)孔結構示例。兩個(gè)相鄰過(guò)孔間的距離被稱(chēng)為過(guò)孔間距。過(guò)孔間距越小，互耦合電容越多。

　　圖2：使用背面鉆孔的GSSG差分過(guò)孔

　　不要忘記，在傳輸速率超過(guò)10Gbps時(shí)，過(guò)孔殘樁會(huì )嚴重影響高速信號完整性。幸運的是，有一種背面鉆孔PCB制造工藝，此工藝可以在未使用的過(guò)孔圓柱上鉆孔。根據制造工藝公差的不同，背面鉆孔去除了未使用的過(guò)孔金屬，并最大限度地將過(guò)孔殘樁減少到10mil以下。

　　3D EM仿真器用來(lái)根據所需的阻抗和帶寬來(lái)設計差分過(guò)孔。這是一個(gè)反復的過(guò)程。此過(guò)程重復地調整過(guò)孔尺寸，并運行EM仿真，直到實(shí)現所需的阻抗和帶寬。

　　4. 如何驗證性能

　　圖2中顯示的差分過(guò)孔設計已構建完畢并經(jīng)測試。測試樣片包括頂層的一對差分線(xiàn)，之后是到內部差分線(xiàn)的差分過(guò)孔，然后第二對差分過(guò)孔再次連接至頂層的球狀引腳柵格陣列封裝（BGA）接地焊盤(pán)。信號路徑的總長(cháng)度大約為1330mil。我用差分時(shí)域反射儀（TDR）測得其差分阻抗，用網(wǎng)絡(luò )分析儀測得了帶寬，并用高速示波器測量了數據眼圖來(lái)了解其對信號的影響。圖3，4，5分別顯示了阻抗、帶寬和眼圖。左圖是使用背面鉆孔時(shí)的測試結果，而右圖是無(wú)背面鉆孔的測試結果。在圖5中的帶寬波特圖中，我們可以很清楚地看到背面鉆孔對于在數據速率大于10Gbps 的情況下實(shí)現高性能是必不可少的。

　　使用背面鉆孔，ZDIFF大約為85？無(wú)背面鉆孔，ZDIFF大約為58？