PCB電路的導(dǎo)通孔建模與仿真設(shè)計(jì)

在低頻率的時(shí)候，導(dǎo)通孔的影響不大。但在高速系列連接中，導(dǎo)通孔會(huì)毀了整個(gè)系統(tǒng)。

在某些情況下，在3.125Gbps的時(shí)候，他們可以采用一個(gè)樣子不錯(cuò)的，寬的孔眼。在5 Gbps的時(shí)候?qū)⑺兂梢粋€(gè)支柱。了解引起導(dǎo)通孔限制的根本原因是優(yōu)化其設(shè)計(jì)的以及驗(yàn)證他們的第一步。

這篇文章將描繪一個(gè)簡(jiǎn)單的導(dǎo)通孔建模與仿真過(guò)程，從中你認(rèn)識(shí)可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)一些關(guān)鍵點(diǎn)。

你不可能碰巧設(shè)計(jì)一個(gè)能夠工作在2Gbps或更高速率的互連。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸速率，互連必須優(yōu)化。在許多情況下，導(dǎo)通孔可能成為高速串聯(lián)的終結(jié)，除非導(dǎo)通孔經(jīng)過(guò)優(yōu)化，使其影響變小。

差分過(guò)孔問(wèn)題的根源主要來(lái)自三方面，90％是通孔根viastub，9％來(lái)自通孔，另外1％來(lái)自return vias.所謂的導(dǎo)通孔工藝就是解決這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

第一步是盡量減少通孔根的長(zhǎng)度。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，通孔根的長(zhǎng)度，以密耳為單位，應(yīng)小于300 mils/BR，Br是Gbps的速率。

第二個(gè)步驟是將孔路徑中的穿透部分使其接近線的阻抗，通常為100歐姆。不同導(dǎo)通孔的阻抗差通常都低于100歐姆，因此，在可能的情況下，盡量減少其直徑，增加間距，清孔，增加層上的通孔，并清除所有無(wú)用的焊盤(pán)。另外，周圍線路阻抗可以減少。通常，即使是65歐姆的阻抗差都將導(dǎo)致小于-1 dB的插入損耗，更別說(shuō)是在15GHz，100歐姆差的系統(tǒng)中了。

最后，在信號(hào)空附近放置相鄰的return vias將有助于控制普通信號(hào)在系統(tǒng)中傳輸而產(chǎn)生的信號(hào)噪音。對(duì)于不同系統(tǒng)，引入return via對(duì)于信號(hào)質(zhì)量來(lái)說(shuō)并不一定是至關(guān)重要的，雖然這總是一個(gè)好習(xí)慣。

一旦這些關(guān)鍵點(diǎn)都被優(yōu)化，考慮到真是情況的限制，我們總是有相同的問(wèn)題，他會(huì)正常運(yùn)作么？在處理導(dǎo)通孔的工程上我做得已經(jīng)夠好了么？

回答這個(gè)問(wèn)題的其中一個(gè)方法是建立一個(gè)測(cè)試設(shè)備并進(jìn)行測(cè)量。這是“測(cè)試性能”的做法。代價(jià)十分高昂，費(fèi)時(shí)間費(fèi)資源，但最終結(jié)果會(huì)是您大大提高產(chǎn)品可靠性的信心。另一種方法是在確定硬件和提交建造之前對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。

唯一能精確仿真差分過(guò)孔的是使用三維全波電磁場(chǎng)解決器，諸如安捷倫科技和CST所提供的那種。這些工具已經(jīng)被證明十分準(zhǔn)確，很容易來(lái)解釋那些不同的和共同的影響，包括來(lái)自返回路徑的影響，但一般都比較復(fù)雜。該工具的S數(shù)表現(xiàn)模塊可以用在許多系統(tǒng)仿真器里面，來(lái)預(yù)測(cè)第一級(jí)和第二級(jí)影響。這是一個(gè)完善的過(guò)程。

不過(guò)對(duì)于某些導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)，差分阻抗特性可以用一個(gè)非常簡(jiǎn)單模塊取得近似值。用這種方法，分析預(yù)制可以縮短到幾分鐘而不是幾小時(shí)甚至幾天。它亦可以深入分析導(dǎo)通孔會(huì)面臨多少可能的問(wèn)題，以及對(duì)于設(shè)計(jì)相對(duì)重要的特性。所以在高速串聯(lián)中導(dǎo)通孔效應(yīng)評(píng)估的時(shí)候，我們總是先使用簡(jiǎn)單的模型。相對(duì)于投入的精力，回報(bào)是巨大的。

首先，差分過(guò)孔可以被模擬成一個(gè)統(tǒng)一的差分對(duì)，具有差分阻抗和介電常數(shù)。它被分成兩個(gè)或三個(gè)均等的部分，這取決于信號(hào)層是如何進(jìn)入和離開(kāi)導(dǎo)通孔的。這些部分中唯一的區(qū)別就是其長(zhǎng)度。他們都有相同的差分阻抗或奇模阻抗，以及介電常數(shù)。

這兩個(gè)導(dǎo)通孔的差分阻抗可以基于twin rods典型阻抗分析模型進(jìn)行粗略估算。如圖1所示

?

差分阻抗可以通過(guò)twin rod模型進(jìn)行估算：

?

Z0 =差分阻抗（歐姆）

D =導(dǎo)通孔直徑（mils）

s =中心到中心間距（mils）

Dk =有效介電常數(shù)大約4–6.5

例如，如果算上glass weave和樹(shù)脂介電常數(shù)為5，間隙是60密耳，導(dǎo)通孔的直徑是30密耳，那么其差分阻抗是：

導(dǎo)通孔一般會(huì)低于100歐姆。怎么樣的值是我們可以接受的呢？最常見(jiàn)的關(guān)于信號(hào)完整性問(wèn)題的答案是，“It depends.”如果-1dB的插入損耗是可以接受的話，那么導(dǎo)通孔的阻抗可以低至65歐姆，但在到了100歐姆環(huán)境下仍然能滿足這種性能規(guī)格。

一般來(lái)說(shuō)，只有對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)使用這種電氣模型進(jìn)行仿真，才會(huì)給你一個(gè)自信的答案。這個(gè)簡(jiǎn)單的差分對(duì)模型是在你制造之前，使你對(duì)設(shè)計(jì)確立信心的必要元素。