高速印刷電路板PCB的過孔基礎知識與差分過孔設計

在一個高速印刷電路板 (PCB)中，通孔在降低信號完整性性能方面一直飽受詬病。然而，過孔的使用是不可避免的。在標準的PCB板上，元器件被放置在頂層，而差分對的走線在內層。內層的電磁輻射和對與對之間的串擾較低。必須使用過孔將PCB板平面上的組件與內層相連。幸運的是，可設計出一種透明的過孔來最大限度地減少對性能的影響。

1. 過孔結構的基礎知識

讓我們從檢查簡單過孔中將頂部傳輸線與內層相連的元件開始。圖1是顯示過孔結構的3D圖。有四個基本元件：信號過孔、過孔殘樁、過孔焊盤和隔離盤。

過孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過孔連接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環(huán)狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內部傳輸線。隔離盤是每個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：單個過孔的3D圖

2. 過孔元件的電氣屬性

如表格1所示，我們來仔細看一看每個過孔元件的電氣屬性。

表1：圖1中顯示的過孔元件的電氣屬性

一個簡單過孔是一系列的π型網絡，它由兩個相鄰層內構成的電容-電感-電容 (C-L-C) 元件組成。表格2顯示的是過孔尺寸的影響。

表2：過孔尺寸的直觀影響

通過平衡電感與寄生電容的大小，可以設計出與傳輸線具有相同特性阻抗的過孔，從而變得不會對電路板運行產生特別的影響。還沒有簡單的公式可以在過孔尺寸與C和L元件之間進行轉換。3D電磁 (EM) 場解算程序可以根據PCB布局布線中使用的尺寸來預測結構阻抗。通過重復調整結構尺寸和運行3D仿真，可優(yōu)化過孔尺寸，來實現所需阻抗和帶寬要求。

3. 設計一個透明的差分過孔

在實現差分對時，線路A與線路B之間必須高度對稱。這些對在同一層內走線，如果需要一個過孔，必須在兩條線路的臨近位置上打孔。由于差分對的兩個過孔距離很近，兩個過孔共用的一個橢圓形隔離盤能夠減少寄生電容，而不是使用兩個單獨的隔離盤。接地過孔也被放置在每個過孔的旁邊，這樣的話，它們就能夠為A和B過孔提供接地返回路徑。

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

圖2：使用背面鉆孔的GSSG差分過孔

不要忘記，在傳輸速率超過10Gbps時，過孔殘樁會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孔金屬，并最大限度地將過孔殘樁減少到10mil以下。

3D EM仿真器用來根據所需的阻抗和帶寬來設計差分過孔。這是一個反復的過程。此過程重復地調整過孔尺寸，并運行EM仿真，直到實現所需的阻抗和帶寬。

4. 如何驗證性能

圖2中顯示的差分過孔設計已構建完畢并經測試。測試樣片包括頂層的一對差分線，之后是到內部差分線的差分過孔，然后第二對差分過孔再次連接至頂層的球狀引腳柵格陣列封裝 (BGA) 接地焊盤。信號路徑的總長度大約為1330mil。我用差分時域反射儀 (TDR) 測得其差分阻抗，用網絡分析儀測得了帶寬，并用高速示波器測量了數據眼圖來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的測試結果，而右圖是無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 的情況下實現高性能是必不可少的。

圖3：TDR阻抗波特圖（左：使用背面鉆孔，ZDIFF大約為85Ω；右：無背面鉆孔，ZDIFF大約為58Ω）

圖4：頻率響應（左：12.5GHz時的插入損耗大約為3dB ；右：12.5GHz時的插入損耗大于8dB）

圖5:25Gbps時的數據眼圖（左：使用背面鉆孔時，數據眼是打開的；右：無背面鉆孔時，數據眼是關閉的。）