高速PCB過孔設計和優化

現代高速數字電路設計中，過孔對PCB信號完整性的影響不容忽視。在高速設計中往往要采用多層PCB，而在多層板中，信號從某層互連線傳輸到另一層互連線就需要通過過孔來實現連接，在頻率低于1GHz時，過孔能起到一個很好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略。當頻率高于1GHZ后，過孔的寄生效應對信號完整性的影響就不能忽略，此時過孔在傳輸路徑上表現為阻抗不連續的斷點，會產生信號的反射、延時、衰減等信號完整性問題。當信號通過過孔傳輸至另外一層時，信號線的參考層同時也作為過孔信號的返回路徑，并且返回電流會通過電容耦合在參考層間流動，并引起地彈等問題。

試驗制作了不同層數測試板，信號過孔孔徑設計值為0.20-0.50 mm，過孔長度設計為0.5-2.0 mm，設計了不同尺寸焊盤、反焊盤。為研究多余短柱對過孔阻抗、損耗的影響，試驗通過背鉆技術，控制背鉆深度獲得了不同短柱長度單端過孔，過孔長度為0.20-0.80 mm。

試板制作流程：開料→烘板→內層干膜→內層蝕刻→內AOI→棕化→層壓→鉆孔→去鉆污→沉銅→外層電鍍→鍍錫→背鉆→外層蝕刻→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外AOI→阻焊→沉金→銑板……

試板制作完成后采用矢量網絡分析儀測試含過孔單端線的TDR曲線和S參數，通過過孔處TDR曲線變化情況獲得過孔阻抗值，并通過S參數分析過孔損耗。

過孔參數對阻抗連續性的影響
過孔長度是影響過孔電感的主要因素之一。對用于頂，底層導通的過孔，過孔長度等于PCB板厚度，由于PCB層數的不斷增加，PCB厚度常常會達到5 mm以上。然而，高速PCB設計時，為減小過孔帶來的問題，過孔長度一般控制在2.0 mm以內。
如果過孔長度由1.0 mm增加至2.0 mm時，由于過孔電感的迅速增加，導致過孔阻抗也迅速增加，即過孔長度越大，過孔阻抗不連續性越差。當過孔長度在1.0 mm范圍內時，通過過孔參數優化，可以將過孔引起的阻抗變化控制在10%內，但過孔長度超過1.5 mm時，過孔阻抗不連續性問題變得難以解決。
當過孔孔徑由0.20 mm增加至0.50 mm時，過孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。這主要是由于過孔孔徑增加后導致過孔電容增加，而過孔阻抗與電容呈反比。對于過孔長度大于2.0 mm過孔，通過增加過孔孔徑，可在一定程度上提高過孔阻抗連續性。當過孔長度為1.0 mm及以下時，最佳過孔孔徑為0.20-0.30 mm。
當過孔焊盤直徑由0.45 mm增加至0.55 mm時，過孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。這是由于過孔焊盤尺寸增加，同樣會導致過孔電容增加。由測試結果可以得出，過孔焊盤尺寸每增加0.05 mm，過孔阻抗約下降0.5-0.7 ohm。

接地孔對過孔阻抗和損耗的影響
對于一個4層板，當信號由頂層傳輸線轉至底層時，可能會出現兩種情況。第一種表示信號過孔旁沒有地孔的情況，此時信號通過過孔時，返回路徑通過兩地層返回，未受控的返回電流產生了地彈效應，且信號通過過孔時產生的電磁波（EM）在兩底層上傳輸，導致電壓波動，引起信號完整性問題。第二種為增加接地孔情況，此時接地孔為過孔信號提供了完整的返回路徑，同時也為過孔信號提供了參考孔，從而提高了信號過孔的阻抗連續性，并減小信號損耗。
過孔阻抗隨接地孔數量增加而降低。這是由于隨接地孔數量增加，信號過孔與地孔間電容增加，即調整接地孔數量可有效控制過孔阻抗。當信號孔與接地孔距離由0.40 mm增加至0.70 mm時，過孔阻抗呈不斷增加趨勢。與傳輸線以地層作為參考層類似，增加接地孔后，信號過孔以接地孔為參考孔。當信號孔與接地孔距離增加后，信號孔與接地孔間電容降低，過孔阻抗增加。由此可見，通過調整信號孔與接地孔之間的距離，可實現對過孔阻抗的控制。

多余短柱對過孔阻抗和損耗的影響
在高速多層PCB中，當信號從頂層傳輸到內部某層時，用通孔連接就會產生多余的導通孔短柱，短柱極大地影響著信號的傳輸質量。當信號在通過過孔傳輸到阻抗匹配的另一層線路時，會有一部分能量被傳遞到過孔的短柱上，而這一部分由于沒有任何的阻抗終結，所以可以被看作是全開路狀態，因此這個分支便會造成剩余能量的全反射，這大大地削弱了信號質量，損壞了原始信號的完整性。采用盲孔和埋孔，可有效避免短柱對信號完整性的影響，但該技術工藝復雜且成本高。而采用背鉆技術將信號孔中多余的短柱鉆掉，可獲得更好的過孔信號傳輸質量，所以，研究短柱對過孔信號完整性的影響有助于平衡成本與性能。

通過對過孔設計參數孔徑、過孔長度、焊盤/反焊盤尺寸進行優化可有效提高過孔阻抗連續性。當過孔長度小于1.0 mm時，可通過對這4個設計參數進行優化，將過孔引起的阻抗變化控制在10%以內。為過孔信號提供返回路徑，可實現對過孔阻抗的控制，并能降低過孔的信號損耗。采用4個接地參考孔時，過孔阻抗可通過同軸電纜阻抗公式近似計算。多余短柱會導致過孔阻抗降低，損耗增加。

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