高速PCB过孔设计和优化

发布时间：2022-09-03 09:43:50
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现代高速数字电路设计中，过孔对PCB信号完整性的影响不容忽视。在高速设计中往往要采用多层PCB，而在多层板中，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接，在频率低于1GHz时，过孔能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。当频率高于1GHZ后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题。

试验制作了不同层数测试板，信号过孔孔径设计值为0.20-0.50 mm，过孔长度设计为0.5-2.0 mm，设计了不同尺寸焊盘、反焊盘。为研究多余短柱对过孔阻抗、损耗的影响，试验通过背钻技术，控制背钻深度获得了不同短柱长度单端过孔，过孔长度为0.20-0.80 mm。

试板制作流程：开料→烘板→内层干膜→内层蚀刻→内AOI→棕化→层压→钻孔→去钻污→沉铜→外层电镀→镀锡→背钻→外层蚀刻→外层干膜→图形电镀→外层蚀刻→外AOI→阻焊→沉金→铣板……

试板制作完成后采用矢量网络分析仪测试含过孔单端线的TDR曲线和S参数，通过过孔处TDR曲线变化情况获得过孔阻抗值，并通过S参数分析过孔损耗。

过孔参数对阻抗连续性的影响
过孔长度是影响过孔电感的主要因素之一。对用于顶，底层导通的过孔，过孔长度等于PCB板厚度，由于PCB层数的不断增加，PCB厚度常常会达到5 mm以上。然而，高速PCB设计时，为减小过孔带来的问题，过孔长度一般控制在2.0 mm以内。
如果过孔长度由1.0 mm增加至2.0 mm时，由于过孔电感的迅速增加，导致过孔阻抗也迅速增加，即过孔长度越大，过孔阻抗不连续性越差。当过孔长度在1.0 mm范围内时，通过过孔参数优化，可以将过孔引起的阻抗变化控制在10%内，但过孔长度超过1.5 mm时，过孔阻抗不连续性问题变得难以解决。
当过孔孔径由0.20 mm增加至0.50 mm时，过孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。这主要是由于过孔孔径增加后导致过孔电容增加，而过孔阻抗与电容呈反比。对于过孔长度大于2.0 mm过孔，通过增加过孔孔径，可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时，最佳过孔孔径为0.20-0.30 mm。
当过孔焊盘直径由0.45 mm增加至0.55 mm时，过孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。这是由于过孔焊盘尺寸增加，同样会导致过孔电容增加。由测试结果可以得出，过孔焊盘尺寸每增加0.05 mm，过孔阻抗约下降0.5-0.7 ohm。

接地孔对过孔阻抗和损耗的影响
对于一个4层板，当信号由顶层传输线转至底层时，可能会出现两种情况。第一种表示信号过孔旁没有地孔的情况，此时信号通过过孔时，返回路径通过两地层返回，未受控的返回电流产生了地弹效应，且信号通过过孔时产生的电磁波（EM）在两底层上传输，导致电压波动，引起信号完整性问题。第二种为增加接地孔情况，此时接地孔为过孔信号提供了完整的返回路径，同时也为过孔信号提供了参考孔，从而提高了信号过孔的阻抗连续性，并减小信号损耗。
过孔阻抗随接地孔数量增加而降低。这是由于随接地孔数量增加，信号过孔与地孔间电容增加，即调整接地孔数量可有效控制过孔阻抗。当信号孔与接地孔距离由0.40 mm增加至0.70 mm时，过孔阻抗呈不断增加趋势。与传输线以地层作为参考层类似，增加接地孔后，信号过孔以接地孔为参考孔。当信号孔与接地孔距离增加后，信号孔与接地孔间电容降低，过孔阻抗增加。由此可见，通过调整信号孔与接地孔之间的距离，可实现对过孔阻抗的控制。

多余短柱对过孔阻抗和损耗的影响
在高速多层PCB中，当信号从顶层传输到内部某层时，用通孔连接就会产生多余的导通孔短柱，短柱极大地影响着信号的传输质量。当信号在通过过孔传输到阻抗匹配的另一层线路时，会有一部分能量被传递到过孔的短柱上，而这一部分由于没有任何的阻抗终结，所以可以被看作是全开路状态，因此这个分支便会造成剩余能量的全反射，这大大地削弱了信号质量，损坏了原始信号的完整性。采用盲孔和埋孔，可有效避免短柱对信号完整性的影响，但该技术工艺复杂且成本高。而采用背钻技术将信号孔中多余的短柱钻掉，可获得更好的过孔信号传输质量，所以，研究短柱对过孔信号完整性的影响有助于平衡成本与性能。

通过对过孔设计参数孔径、过孔长度、焊盘/反焊盘尺寸进行优化可有效提高过孔阻抗连续性。当过孔长度小于1.0 mm时，可通过对这4个设计参数进行优化，将过孔引起的阻抗变化控制在10%以内。为过孔信号提供返回路径，可实现对过孔阻抗的控制，并能降低过孔的信号损耗。采用4个接地参考孔时，过孔阻抗可通过同轴电缆阻抗公式近似计算。多余短柱会导致过孔阻抗降低，损耗增加。