高速PCB过孔的研究
在数字通信系统中,随着PCB布线密 度,布线层数和传输信号速率的不断增加,信号完整性的问题变得越来越突出,已经成为高速PCB设计者巨大的挑战。而在高速PCB设计中,过孔已经越来越普 遍使用,其本身的寄生参数极易造成信号完整性问题,如何减少过孔本身所产生的信号完整性问题,已经成为高速PCB设计者研究的重点和难点。过孔是多层高速PCB的重要组成部分,过孔的费用通常可以占到整个PCB费用30%~40%,过孔主要由两个作用:不同层的电气连接和器件的固定 和定位。工艺上分为盲孔,埋孔和通孔。盲孔和埋孔得深度不超过PCB的厚度,只连通PCB中的部分层;通孔则贯穿整个PCB层,另外由于通孔在工艺上更易 实现,成本较低,所以绝大部分PCB只使用通孔,本文主要讨论通孔的情况。
若经过严格的物理理论推导和近似分析,可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容,如图所示。
图 过孔的等效电路模型
从等效电路模型可知,过孔本身存在对地的寄生电容,假设过孔反焊盘直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:
过 孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长,传输速度减慢,从而恶化信号质量。同样,过孔同时也存在寄生电感,在高速数字PCB中,寄生电感带来的危 害往往大于寄生电容。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感,h为过孔的长度,d为中心钻孔的直 径。过孔近似的寄生电感大小近似于:
为 了量化分析过孔直径,过孔深度,过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响,本文采用了全波电磁仿真软件HFSS软件对高速 PCB过孔进行了三维仿真分析,与传统的电路等效方式仿真,全波电磁仿真软件具有仿真结果准确可靠,仿真速度快,界面友好等优点。为详细分析过孔的关键参 数对过孔性能的影响,把部分关键参数设置为动态,设置如下:材质为FR4,介点系数为4.4,反焊盘直径R_antipad变化范围 10mil~17mil;过孔直径R_via变化范围10mil~13mil,过孔焊盘R_pad变化范围12mil~16mil,过孔深度H_pad变 化范围59mil~70mil。
图 过孔的三维仿真模型图(HFSS)
仿真的扫描频率范围为0Hz~10GHz,每组仿真结果包括TDR,反射和插入损耗。并详细分析三种参数与过孔尺寸变化的对应关系。
把反焊盘大小固定为13mil,只变化过孔直径(10mil~12mil);通过电磁仿真得到TDR,反射,,插入损耗与孔径的对应仿真图,从仿真 结果可以看出:随着过孔的不断增大,阻抗的不连续性越明显,插入损耗越大,反射也越大。过孔直径由10mil增加到12mil过程中,阻抗不连续严重时相 差14欧姆左右,同时引入的插入损耗严重时达到4 dB。所以在高速PCB设计时尽量控制信号过孔的直径,一般不超过0.3mm,减少过孔对信号完整性的影响。
把反焊盘大小固定为 13mil,过孔直径固定为10mil,改变过孔深(59mil~71mil);通过电磁仿真得到TDR ,反射,插入损耗与孔径深度的对应仿真图;从仿真结果可以得出随着孔径深度的不断增加,阻抗不连续性更加明显,反射更为严重,插入损耗会变得更大。过孔深 度变化造成的不连续性,反射和插入损耗相没有过孔直径变化造成的明显,孔深由59mil变化到71mil过程中,阻抗严重时差3 dB左右,插入损耗严重时为1 dB左右,反射在0Hz~10GHz内也不是特别明显。不过为保证信号完整性,高速PCB设计中PCB叠层越少越好,厚度一般控制在1.5mm以内。
把 反焊盘大小固定为13mil,过孔深度固定为70mil,只改变过孔焊12mil~20mil),通过电磁仿真得到TDR,反射,插入损耗与 过孔焊盘的对应仿真图,可以得出孔径焊盘的不断增大,阻抗不连续性越明显,反射更为严重,插入损耗也会更大。阻抗严重时差5欧姆左右,反射和插入损耗也相 差较为明显,在高速PCB设计中对过孔焊盘的尺寸也要控制在合理的范围内,一般小于0.6mm,以减少对信号完整性的影响。
把过孔焊盘大 小固定为10mil,过孔深度固定为70mil,只改变反焊13mil~17mil),通过电磁仿真得到TDR,反射,插入损耗与过孔焊盘的对应仿真图,可以得出反焊盘的不断减小,阻抗不连续性不断恶化,反射更为严重,插入损耗也会变得大。所以在高速PCB设计中尽量使用较大的反焊 盘,以便减少反射和插入损耗,优化信号传输质量,改善信号完整性。
光迅科技通 过建立过孔三维物理 模型和电磁仿真,研究了在扫描频率为0Hz~10GHz的范围内,过孔直径,过孔深度,过孔焊盘和反焊盘几种关键参数的变化所带来的阻 抗不连续性,反射和插入损耗的严重程度;并推荐了高速PCB设计中过孔常用尺寸和一些重要的设计原则,这些原则能够为高速PCB设计者提供重要的参考,同 时可以减少PCB设计中所遇到的信号完整性问题,缩短设计周期和开发成本。
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