高速PCB單端過(guò)孔研究超詳細(xì)過(guò)程

在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的寄生電容、電感的影響不能忽略，此時(shí)過(guò)孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射、延時(shí)、衰減等信號(hào)完整性問(wèn)題。本文采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀研究了過(guò)孔長(zhǎng)度、過(guò)孔孔徑、焊盤(pán)/反焊盤(pán)直徑對(duì)過(guò)孔阻抗的影響。通過(guò)在信號(hào)孔旁增加接地孔，為過(guò)孔電流提供回路方法，提高過(guò)孔阻抗的連續(xù)性，并有效降低過(guò)孔損耗。結(jié)果表明，增加接地孔可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)孔阻抗的控制，過(guò)孔阻抗隨接地孔數(shù)量增加而降低，當(dāng)采用4個(gè)接地孔時(shí)過(guò)孔阻抗可通過(guò)同軸電纜阻抗公式進(jìn)行近似計(jì)算。此外，本文還探討了過(guò)孔多余短柱對(duì)過(guò)孔阻抗及損耗的影響。結(jié)果表明，過(guò)孔多余短柱長(zhǎng)度每增加0.10 mm，過(guò)孔阻抗降低0.4-0.9 ohm，且過(guò)孔損耗隨多余短柱長(zhǎng)度增加而增大。本研究可為高速數(shù)字電路過(guò)孔設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1、前言

現(xiàn)代高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，過(guò)孔對(duì)PCB信號(hào)完整性的影響不容忽視［1-2］。在高速設(shè)計(jì)中往往要采用多層PCB，而在多層板中，信號(hào)從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚踊ミB線就需要通過(guò)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，在頻率低于1GHz時(shí)，過(guò)孔能起到一個(gè)很好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略。當(dāng)頻率高于1GHZ后，過(guò)孔的寄生效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的影響就不能忽略，此時(shí)過(guò)孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射、延時(shí)、衰減等信號(hào)完整性問(wèn)題［3］。當(dāng)信號(hào)通過(guò)過(guò)孔傳輸至另外一層時(shí)，信號(hào)線的參考層同時(shí)也作為過(guò)孔信號(hào)的返回路徑，并且返回電流會(huì)通過(guò)電容耦合在參考層間流動(dòng)，并引起地彈等問(wèn)題［4-5］。

目前，有關(guān)過(guò)孔相關(guān)研究報(bào)道還比較少，且研究基本是采用仿真軟件來(lái)模擬過(guò)孔參數(shù)對(duì)過(guò)孔阻抗及S參數(shù)的影響［6-8］。這些仿真結(jié)果只能幫助設(shè)計(jì)者了解相關(guān)參數(shù)對(duì)過(guò)孔阻抗及信號(hào)完整性的影響趨勢(shì)，但不能準(zhǔn)確給出過(guò)孔參數(shù)的影響程度，難以指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。本研究通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試TDR曲線方法研究了單端過(guò)孔阻抗，分析了過(guò)孔孔徑、過(guò)孔長(zhǎng)度、焊盤(pán)/反焊盤(pán)尺寸對(duì)過(guò)孔阻抗的影響；通過(guò)為過(guò)孔信號(hào)提供返回路徑的方法，研究了接地孔對(duì)過(guò)孔阻抗、損耗的影響，還探討了多余短柱對(duì)過(guò)孔阻抗及損耗的影響。

2、試驗(yàn)方法

2.1、主要材料與儀器

材料：不同厚度FR4覆銅板，銅厚1/1 OZ；各規(guī)格半固化片（106、1080、2116和3313）。

儀器：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），頻寬為20 GHz。

2.2、方法

試驗(yàn)制作了不同層數(shù)測(cè)試板，信號(hào)過(guò)孔孔徑設(shè)計(jì)值為0.20-0.50 mm，過(guò)孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為0.5-2.0 mm，設(shè)計(jì)了不同尺寸焊盤(pán)、反焊盤(pán)。為研究多余短柱對(duì)過(guò)孔阻抗、損耗的影響，試驗(yàn)通過(guò)背鉆技術(shù)，控制背鉆深度獲得了不同短柱長(zhǎng)度單端過(guò)孔，過(guò)孔長(zhǎng)度為0.20-0.80 mm。

試板制作流程：開(kāi)料→烘板→內(nèi)層干膜→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試含過(guò)孔單端線的TDR曲線和S參數(shù)，通過(guò)過(guò)孔處TDR曲線變化情況獲得過(guò)孔阻抗值，并通過(guò)S參數(shù)分析過(guò)孔損耗。

3、結(jié)果與討論

3.1、過(guò)孔參數(shù)對(duì)阻抗連續(xù)性的影響

過(guò)孔長(zhǎng)度是影響過(guò)孔電感的主要因素之一［1］。對(duì)用于頂、底層導(dǎo)通的過(guò)孔，過(guò)孔長(zhǎng)度等于PCB厚度，由于PCB層數(shù)的不斷增加，PCB厚度常常會(huì)達(dá)到5 mm以上。然而，高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為減小過(guò)孔帶來(lái)的問(wèn)題，過(guò)孔長(zhǎng)度一般控制在2.0 mm以內(nèi)。這里研究了過(guò)孔長(zhǎng)度在1.0-2.0 mm范圍變化時(shí)，過(guò)孔阻抗變化情況（見(jiàn)圖1）。由圖看出，過(guò)孔長(zhǎng)度由1.0 mm增加至2.0 mm時(shí)，由于過(guò)孔電感的迅速增加，導(dǎo)致過(guò)孔阻抗也迅速增加，即過(guò)孔長(zhǎng)度越大，過(guò)孔阻抗不連續(xù)性越差。試驗(yàn)還表明，當(dāng)過(guò)孔長(zhǎng)度在1.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)過(guò)孔參數(shù)優(yōu)化，可以將過(guò)孔引起的阻抗變化控制在10%內(nèi)，但過(guò)孔長(zhǎng)度超過(guò)1.5 mm時(shí)，過(guò)孔阻抗不連續(xù)性問(wèn)題變得難以解決。