差分對(duì)：你需要了解的與過(guò)孔有關(guān)的四件事

2017-04-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在一個(gè)高速印刷電路板 (PCB) 中,通孔在降低信號(hào)完整性性能方面一直飽受詬病。然而,過(guò)孔的使用是不可避免的。在標(biāo)準(zhǔn)的電路板上,元器件被放置在頂層,而差分對(duì)的走線在內(nèi)層。內(nèi)層的電磁輻射和對(duì)與對(duì)之間的串?dāng)_較低。必須使用過(guò)孔將電路板平面上的組件與內(nèi)層相連。

幸運(yùn)的是,可設(shè)計(jì)出一種透明的過(guò)孔來(lái)最大限度地減少對(duì)性能的影響。在這篇博客中,我將討論以下內(nèi)容:

過(guò)孔的基本元件
過(guò)孔的電氣屬性
一個(gè)構(gòu)建透明過(guò)孔的方法
差分過(guò)孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果

1. 過(guò)孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)

讓我們從檢查簡(jiǎn)單過(guò)孔中將頂部傳輸線與內(nèi)層相連的元件開(kāi)始。圖1是顯示過(guò)孔結(jié)構(gòu)的3D圖。有四個(gè)基本元件:信號(hào)過(guò)孔、過(guò)孔殘樁、過(guò)孔焊盤(pán)和隔離盤(pán)。

過(guò)孔是鍍?cè)陔娐钒屙攲优c底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號(hào)過(guò)孔連接不同層上的傳輸線。過(guò)孔短柱是過(guò)孔上未使用的部分。過(guò)孔焊盤(pán)是圓環(huán)狀墊片,它們將過(guò)孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤(pán)是每個(gè)電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙,以防止到電源和接地層的短路。

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圖1:單個(gè)過(guò)孔的3D圖(“過(guò)孔短柱”需改為“過(guò)孔殘樁”;“跡線”改為“傳輸線”)

2. 過(guò)孔元件的電氣屬性

如表格1所示,我們來(lái)仔細(xì)看一看每個(gè)過(guò)孔元件的電氣屬性。

層	過(guò)孔元件	電氣屬性
層1(頂層)	過(guò)孔焊盤(pán)	過(guò)孔焊盤(pán)在焊盤(pán)和下方的接地層之間引入寄生電容。
1-2層(過(guò)孔)	信號(hào)過(guò)孔	過(guò)孔是一個(gè)電感器。
層2(平面層)	隔離盤(pán)	隔離盤(pán)在金屬圓柱表面和附近的過(guò)孔周圍接地層之間產(chǎn)生邊緣電容。
2-3層(過(guò)孔)	信號(hào)過(guò)孔	電感。
層3(信號(hào))	過(guò)孔焊盤(pán)	焊盤(pán)與其上下的接地層之間的寄生電容。
3-4層(過(guò)孔)	過(guò)孔短柱	過(guò)孔的未使用部分形成電容短截線效應(yīng)。
層4(平面層)	隔離盤(pán)	電容。
4-5層(過(guò)孔)	過(guò)孔短柱	過(guò)孔的未使用部分形成電容短截線效應(yīng)。
層5(底層)	過(guò)孔焊盤(pán)	電容。

表1:圖1中顯示的過(guò)孔元件的電氣屬性

一個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)孔是一系列的π型網(wǎng)絡(luò),它由兩個(gè)相鄰層內(nèi)構(gòu)成的電容-電感-電容 (C-L-C) 元件組成。表格2顯示的是過(guò)孔尺寸的影響。

	相關(guān)尺寸	電氣屬性	對(duì)電容阻抗 (Zo) 的影響
過(guò)孔焊盤(pán)	小焊盤(pán)直徑	C↓	Zo↑
過(guò)孔大小	小孔直徑	L↑	Zo↑
隔離盤(pán)	大隔離盤(pán)直徑	C↓	Zo↑
過(guò)孔長(zhǎng)度	更長(zhǎng)的過(guò)孔長(zhǎng)度	L↑	Zo↑
電源/接地層	更多平面層	C↑	Zo↓
過(guò)孔殘樁	更長(zhǎng)的過(guò)孔殘樁	C↑	Zo↓
過(guò)孔間距	更小的過(guò)孔間距	C↑	Zo↓

表2:過(guò)孔尺寸的直觀影響

通過(guò)平衡電感與寄生電容的大小,可以設(shè)計(jì)出與傳輸線具有相同特性阻抗的過(guò)孔,從而變得不會(huì)對(duì)電路板運(yùn)行產(chǎn)生特別的影響。還沒(méi)有簡(jiǎn)單的公式可以在過(guò)孔尺寸與C和L元件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3D電磁 (EM) 場(chǎng)解算程序可以根據(jù)PCB布局布線中使用的尺寸來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)阻抗。通過(guò)重復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行3D仿真,可優(yōu)化過(guò)孔尺寸,來(lái)實(shí)現(xiàn)所需阻抗和帶寬要求。

3.設(shè)計(jì)一個(gè)透明的差分過(guò)孔

我們?cè)?/span>之前的帖子中討論過(guò),在實(shí)現(xiàn)差分對(duì)時(shí),線路A與線路B之間必須高度對(duì)稱。這些對(duì)在同一層內(nèi)走線,如果需要一個(gè)過(guò)孔,必須在兩條線路的臨近位置上打孔。由于差分對(duì)的兩個(gè)過(guò)孔距離很近,兩個(gè)過(guò)孔共用的一個(gè)橢圓形隔離盤(pán)能夠減少寄生電容,而不是使用兩個(gè)單獨(dú)的隔離盤(pán)。接地過(guò)孔也被放置在每個(gè)過(guò)孔的旁邊,這樣的話,它們就能夠?yàn)?/span>A和B過(guò)孔提供接地返回路徑。

圖2顯示的是一個(gè)地-信號(hào)-信號(hào)-地 (GSSG) 差分過(guò)孔結(jié)構(gòu)示例。兩個(gè)相鄰過(guò)孔間的距離被稱為過(guò)孔間距。過(guò)孔間距越小,互耦合電容越多。

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圖2:使用背面鉆孔的GSSG差分過(guò)孔

不要忘記,在傳輸速率超過(guò)10Gbps時(shí),過(guò)孔殘樁會(huì)嚴(yán)重影響高速信號(hào)完整性。幸運(yùn)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(guò)孔圓柱上鉆孔。根據(jù)制造工藝公差的不同,背面鉆孔去除了未使用的過(guò)孔金屬,并最大限度地將過(guò)孔殘樁減少到10mil以下。

3D EM仿真器用來(lái)根據(jù)所需的阻抗和帶寬來(lái)設(shè)計(jì)差分過(guò)孔。這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。此過(guò)程重復(fù)地調(diào)整過(guò)孔尺寸,并運(yùn)行EM仿真,直到實(shí)現(xiàn)所需的阻抗和帶寬。

4.如何驗(yàn)證性能

圖2中顯示的差分過(guò)孔設(shè)計(jì)已構(gòu)建完畢并經(jīng)測(cè)試。測(cè)試樣片包括頂層的一對(duì)差分線,之后是到內(nèi)部差分線的差分過(guò)孔,然后第二對(duì)差分過(guò)孔再次連接至頂層的球狀引腳柵格陣列封裝 (BGA) 接地焊盤(pán)。信號(hào)路徑的總長(zhǎng)度大約為1330mil。我用差分時(shí)域反射儀 (TDR) 測(cè)得其差分阻抗,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得了帶寬,并用高速示波器測(cè)量了數(shù)據(jù)眼圖來(lái)了解其對(duì)信號(hào)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(shí)的測(cè)試結(jié)果,而右圖是無(wú)背面鉆孔的測(cè)試結(jié)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(duì)于在數(shù)據(jù)速率大于10Gbps 的情況下實(shí)現(xiàn)高性能是必不可少的。