過孔對高頻信號傳輸?shù)挠绊憽巨D(zhuǎn)發(fā)】

2017-04-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、過孔的基本概念

過孔(via)是多層PCB 的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占PCB 制板費(fèi)用的30%到40%。簡單的說來,PCB 上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。從作用上看,過孔可以分成兩類:一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位。如果從工藝制程上來說,這些過孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。

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第三種稱為通孔,這種孔穿過整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以絕大部分印刷電路板均使用它,而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔,沒有特殊說明的,均作為通孔考慮。

從設(shè)計(jì)的角度來看,一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然,在高速,高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。但孔尺寸的減小同時(shí)帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長,也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時(shí),就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如,如果一塊正常的6 層PCB 板的厚度(通孔深度)為50Mil,那么,一般條件下PCB 廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mils 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔,微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線空間。

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過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會造成信號的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右,比如50 歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會減小6 歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是絕對減小)。但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數(shù)僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

二、過孔的寄生電容和電感

過孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB 板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)

過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時(shí)間,降低了電路的速度。舉例來說,對于一塊厚度為50Mil 的PCB 板,如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF 這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

從這些數(shù)值可以看出,盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換,就會用到多個(gè)過孔,設(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離(Anti-pad)或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。

過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來簡單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L 指過孔的電感,h 是過孔的長度,d 是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 如果信號的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過兩個(gè)過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

三、如何使用過孔

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設(shè)計(jì)中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:

1.從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過孔,比如對于電源或地線的過孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對于信號走線,則可以使用較小的過孔。當(dāng)然隨著過孔尺寸減小,相應(yīng)的成本也會增加。

2.上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB 板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。

3.PCB 板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

4.電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好。可以考慮并聯(lián)打多個(gè)過孔,以減少等效電感。

5.在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地過孔。

6.對于密度較高的高速PCB 板,可以考慮使用微型過孔。

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