高速电路PCB过孔优化的仿真

曹小华，甘俊英，李德锋，张建明



高速电路PCB过孔优化的仿真

曹小华1，甘俊英1，李德锋2，张建明2

（1. 五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020；2. 江门奥威斯电子有限公司，广东 江门 529000）

针对高速背板的过孔Stub效应设计了几种优化方法：对单过孔，采用高速布线中换层尽量远或采用背钻工艺以减少Stub效应对信号的影响；对差分过孔，在差分过孔旁边打一对地过孔和对差分残段进行背钻处理以减少Stub效应对信号的影响. 利用HFSS建立三维模型以验证方法的有效性，仿真结果表明，本文方法消除了过孔Stub效应、改善了信道的信号质量.

印制电路板；过孔；短柱效应

现代高速数字电路板采用多层PCB板，要将高速信号从某层互连线传输到另一层上的互连线，需要用过孔来连接[1-3]. 信号频率低于2GHz时，过孔对连接不同层PCB板的互连线来说，提供了一个良好的桥梁，其寄生参数的影响可以忽略；但是当频率高于2GHz时，过孔的寄生电容和电感的影响就不能忽略，尤其是对宽频带的高速信号，其寄生效应更为复杂，此时过孔相当于信号在传输路径上不连续，将导致信号的反射、衰减等问题[4-6]；因此，在高速PCB电路板的设计中过孔已经成为影响信号传输质量的重要因素. 本文对单过孔、差分过孔进行了研究，设计了减少过孔Stub效应的优化技术，并用HFSS建立过孔的三维模型验证方法的有效性.

1 单过孔优化的仿真分析

研究一块18层PCB测试板4种不同类型的过孔Stub效应带来的信号完整性问题. 如图1所示的测试板，L1、L3、L5、L7、L12、L14、L16和L18层均为信号层，其余层均为地平面. 这样叠层的好处就是使每个信号层都有各自的参考平面，以利于信号高频分量的回流；另外，也可以屏蔽不同走线层间信号的相互干扰和来自外部其他信号的干扰. 测试板的每层高度通过切片分析得到.

过孔的相关参数为：钻孔直径0.325 mm，孔壁铜厚18 μm，焊盘直径0.6 mm，反焊盘直径1 mm，信号引线阻抗50 Ω. 为研究不同过孔走线的特性，需要在顶层、第3层、底层走信号线. 过孔包括4种极端情况：1）Stub最长；2）Stub最短，去除Regular Pad；3）Stub最短，保留Regular Pad；4）去掉Stub. 图2a）是连接第1层和第3层信号的过孔模型. 由于信号在第3层就已经被信号线引出，所以过孔下面有很长一截Stub；图2b）、2c）的过孔连接着第1层和第18层信号层，其Stub最短；图2d）是背钻后的过孔模型，没有Stub.

图2 4种不同情况的过孔模型

图3 4种不同情况的过孔仿真S参数曲线

2 差分过孔优化的仿真分析

PCB板总线速度目前越来越高，布线越来越密，很多因素影响信号的完整性，如过孔、传输线阻抗不连续、串扰等[4-5]. 差分信号的完整性也会受到过孔的影响，在差分过孔旁边打上一对地孔，或者对差分过孔的残余部分进行背钻处理，将改善高速差分信号传输的质量.

差分过孔采用的模型叠层结构和前面单过孔的叠层情况相同，板上过孔的相关参数：信号孔的孔径0.65 mm，孔壁铜厚18 μm，Pad1.2 mm，Anti_pad1.8 mm；接地孔的孔径1.1 mm，孔壁铜厚18 μm，Pad1.8 mm，Anti_pad2.6 mm；信号孔间的距离（中心）2 mm，信号孔与接地孔间距（中心）2.5 mm，差分线的线宽0.2 mm，间距（沿到沿）0.4 mm.

2.1 未加地孔的差分过孔

S参数是频域上的函数，而数字信号是时域上的方波[6]. 最直观的研究方法是将频域上的模型转换到时域上来分析. 常用的方法是在HFSS中提取S参数模型文件，调入到Ansoft Designer中对眼图仿真. 图5是仿真得到的眼图，使用的激励信号是1 024 bit的伪随机比特流（PRBS），扫描10个序列. 从图5可知，在引入较长Stub及无接地孔时抖动比较大，眼皮较厚，差分过孔性能不理想. 如何消除过孔的Stub效应，是Gbps级高速电路设计所面临的一个问题.

图4 差分过孔3D模型和S参数曲线

图5 未加地过孔的差分过孔时域仿真眼图

2.2 加地孔的差分过孔

改善信道质量的一个简单方法是在差分过孔旁边打上地孔，从而给信号提供最近的回流路径，同时也便于阻抗控制，减少反射电流. 图6a）是在HFSS中对图4a）中的模型加上一对地孔后的模型. 地孔与差分过孔的距离是2.5 mm；地孔仅用于连接地层，本身不出线.

使用测试电路，并加载激励信号为1 024 bit的PRBS，扫描10个序列，得到加上地孔后的差分过孔眼图，如图7所示. 靠近的地孔作为回流路径后，眼图得到明显改善：高度增大了很多，抖动也有所减小. 这是因为差分过孔有地孔作为参考，阻抗得到控制，降低了反射信号强度，同时有地孔作为回流路径，电磁辐射得到了控制.

图6 加地孔的差分过孔模型和S参数曲线

图7 加地过孔的差分过孔时域仿真眼图

2.3 加地孔并背钻的差分过孔

设计阻抗可控差分过孔还有一种有效的方法，即背钻技术. 图8a）是在HFSS中对图6a）过孔进行背钻后所建的模型，即把孔第4层到第18层的残余部分去掉，信号只流经有效通路：从第1层到第3层，以此避免长的Stub对信道产生的干扰. 背钻后的S参数曲线如图8b）所示. 与图4b）和6b）对比后发现，背钻后，差分过孔的传输参数与反射参数达到最优，信道的频率响应曲线也比较平滑. 使用1 024 bit的PRBS，扫描10个序列，得到差分过孔背钻以后的差分过孔眼图，如图9所示，其眼图抖动小，差分过孔的性能得到进一步优化.

图8 加地孔并背钻的差分过孔模型和S参数曲线

图9 加地过孔并背钻的差分过孔时域仿真眼图

3 结语

本文对因背板广泛应用而带来的过孔Stub效应进行了研究，提出了减少过孔残段Stub效应的优化技术，并利用HFSS建立了过孔的三维模型，仿真结果表明了本文设计方法的正确性.

[1] 贾硕. 印刷电路板的过孔[J]. 电子电路与贴装，2005(6), 13-14, 16.

[2] 刘烨铭. 高速多板系统信号完整性建模和仿真技术研究[D]. 长沙：国防科技技术大学，2007.

[3] 袁子建，吴志敏，高举. 高速PCB的过孔设计[J]. 电子工艺技术，2002, 23(4): 158-159.

[4] 胡劲松. LVDS信号完整性分析及高速背板设计[D]. 南京：东南大学，2004.

[5] 金炜东. 高速PCB信号完整性分析及应用[D]. 成都：西南交通大学，2006.

[6]BOGATIN E. 信号完整性分析[M]. 李玉山，李丽平，译. 北京：电子工业出版社，2005.

Via-hole Optimal Simulation of High Speed Circuit PCBs

CAOXiao-hua1, GANJun-ying1, LIDe-feng2, ZHANGJian-ming2

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. Jiangmen AudioVisio Electronics CO. LTD., Jiangmen 529000, China)

Several optimization methods are studied for high speed backboard Stub effect. For single via-holes, high speed route or back drill technology is utilized to reduce the via-hole stub effect on signals. For difference via-holes, a pair of terra via-holes beside difference via-holes and back drill process for difference stub is used to reduce the via-hole stub effect on signals. In this paper, a three-dimensional model is built by way of HFSS to validate the effectiveness. Experimental results demonstrate that via-hole stub effect is eliminated and the quality of signal is improved.

PCB; Via-holes; Stub effect

1006-7302（2012）01-0053-05

TP303

A

2011-06-29

国家自然科学基金资助项目（No. 61072127，No. 61070167）；广东省自然科学基金资助项目（10152902001000002，07010869）；广东省高等学校高层次人才项目（粤教师函〔2010〕79号）

曹小华（1984—），男，江西赣州人，在读硕士生，研究方向为信号完整性处理；甘俊英，教授，博士，硕士生导师，研究方向为图像信息处理、人机互动、图像识别等.