高速PCB单端过孔研究

摘要：在高速数字电路设计中，过孔的寄生电容、电感的影响不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。本文采用矢量网络分析仪研究了过孔长度、过孔孔径、焊盘/反焊盘直径对过孔阻抗的影响。通过在信号孔旁增加接地孔，为过孔电流提供回路方法，提高过孔阻抗的连续性，并有效降低过孔损耗。结果表明，增加接地孔可实现对过孔阻抗的控制，过孔阻抗随接地孔数量增加而降低，当采用4个接地孔时过孔阻抗可通过同轴电缆阻抗公式进行近似计算。此外，本文还探讨了过孔多余短柱对过孔阻抗及损耗的影响。结果表明，过孔多余短柱长度每增加0.10 mm，过孔阻抗降低0.4-0.9 ohm，且过孔损耗随多余短柱长度增加而增大。本研究可为高速数字电路过孔设计和优化提供依据。

关键词：过孔；阻抗控制；高速PCB；损耗

1、前言

现代高速数字电路设计中，过孔对PCB信号完整性的影响不容忽视[1-2]。在高速设计中往往要采用多层PCB，而在多层板中，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接，在频率低于1GHz时，过孔能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。当频率高于1GHZ后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题[3]。当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题[4-5]。

目前，有关过孔相关研究报道还比较少，且研究基本是采用仿真软件来模拟过孔参数对过孔阻抗及S参数的影响[6-8]。这些仿真结果只能帮助设计者了解相关参数对过孔阻抗及信号完整性的影响趋势，但不能准确给出过孔参数的影响程度，难以指导实际工程设计。本研究通过采用网络分析仪测试TDR曲线方法研究了单端过孔阻抗，分析了过孔孔径、过孔长度、焊盘/反焊盘尺寸对过孔阻抗的影响；通过为过孔信号提供返回路径的方法，研究了接地孔对过孔阻抗、损耗的影响，还探讨了多余短柱对过孔阻抗及损耗的影响。

2、试验方法

2.1、主要材料与仪器

材料：不同厚度FR4覆铜板，铜厚1/1 OZ；各规格半固化片(106、1080、2116和3313)。

仪器：矢量网络分析仪（VNA），频宽为20 GHz。

2.2、方法

试验制作了不同层数测试板，信号过孔孔径设计值为0.20-0.50 mm，过孔长度设计为0.5-2.0 mm，设计了不同尺寸焊盘、反焊盘。为研究多余短柱对过孔阻抗、损耗的影响，试验通过背钻技术，控制背钻深度获得了不同短柱长度单端过孔，过孔长度为0.20-0.80 mm。

试板制作流程：开料→烘板→内层干膜→内层蚀刻→内AOI→棕化→层压→钻孔→去钻污→沉铜→外层电镀→镀锡→背钻→外层蚀刻→外层干膜→图形电镀→外层蚀刻→外AOI→阻焊→沉金→铣板……

试板制作完成后采用矢量网络分析仪测试含过孔单端线的TDR曲线和S参数，通过过孔处TDR曲线变化情况获得过孔阻抗值，并通过S参数分析过孔损耗。

3、结果与讨论

3.1、过孔参数对阻抗连续性的影响

过孔长度是影响过孔电感的主要因素之一[1]。对用于顶、底层导通的过孔，过孔长度等于PCB厚度，由于PCB层数的不断增加，PCB厚度常常会达到5 mm以上。然而，高速PCB设计时，为减小过孔带来的问题，过孔长度一般控制在2.0 mm以内。这里研究了过孔长度在1.0-2.0 mm范围变化时，过孔阻抗变化情况（见图1）。由图看出，过孔长度由1.0 mm增加至2.0 mm时，由于过孔电感的迅速增加，导致过孔阻抗也迅速增加，即过孔长度越大，过孔阻抗不连续性越差。试验还表明，当过孔长度在1.0 mm范围内时，通过过孔参数优化，可以将过孔引起的阻抗变化控制在10%内，但过孔长度超过1.5 mm时，过孔阻抗不连续性问题变得难以解决。

图2为过孔孔径对过孔阻抗的影响。由图看出，当过孔孔径由0.20 mm增加至0.50 mm时，过孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。这主要是由于过孔孔径增加后导致过孔电容增加，而过孔阻抗与电容呈反比。对于过孔长度大于2.0 mm过孔，通过增加过孔孔径，可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时，最佳过孔孔径为0.20-0.30 mm。

图3为过孔焊盘尺寸对过孔阻抗的影响。由图看出，当过孔焊盘直径由0.45 mm增加至0.55 mm时，过孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。这是由于过孔焊盘尺寸增加，同样会导致过孔电容增加