廖惜春 屈峰成（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

盲埋孔對(duì)高速PCB板信號(hào)特性的影響

廖惜春 屈峰成
（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

在高速數(shù)字電路中，隨著系統(tǒng)工作頻率的提高和數(shù)字信號(hào)上升沿的變陡，多層印制電路板中的盲埋孔帶來(lái)的阻抗不連續(xù)性會(huì)引起信號(hào)的反射，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的信號(hào)特性。因此，盲埋孔的設(shè)計(jì)正逐漸成為制約高速PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。本文運(yùn)用全波電磁仿真軟件HFSS，對(duì)多層PCB板盲埋孔結(jié)構(gòu)建模仿真，將盲埋孔與導(dǎo)通孔進(jìn)行比較，分析盲埋孔孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)幾種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)信號(hào)特性的影響。

信號(hào)完整性；高速數(shù)字電路；盲孔；埋孔

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路越來(lái)越多地應(yīng)用到電路系統(tǒng)中，芯片的集成規(guī)模越來(lái)越大，體積越來(lái)越小，引腳數(shù)越來(lái)越多，速率越來(lái)越高，電路板也朝著多層復(fù)雜化的趨勢(shì)發(fā)展。高速多層PCB板中，大多采用導(dǎo)通孔進(jìn)行層與層之間的連接，但是對(duì)于一些非頂層到底層的電氣連接就會(huì)產(chǎn)生多余的導(dǎo)通孔短柱（Stub）。文獻(xiàn)[1]中詳細(xì)明說(shuō)了多余短柱對(duì)高速多層PCB板傳輸質(zhì)量的不利影響，因此對(duì)于一些高性能和高要求的高速數(shù)字系統(tǒng)，是不能忽略多余短柱帶來(lái)的影響，而從成本和性能的權(quán)衡考慮，采用盲埋孔設(shè)計(jì)有效地避免了多余短柱效應(yīng)，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

本文以盲埋孔設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，通過(guò)建模仿真來(lái)分析盲埋孔孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)等參數(shù)對(duì)信號(hào)特性如S參數(shù)、阻抗連續(xù)性的影響，對(duì)高速PCB盲埋孔設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 盲埋孔的主要參數(shù)和性能指標(biāo)

對(duì)于高速數(shù)字電路多層PCB板，如果要將高速信號(hào)從某一層互連線傳輸?shù)搅硪粚由系幕ミB線，就需要通過(guò)導(dǎo)通孔（Via）來(lái)連接，導(dǎo)通孔是用于連接多層 PCB 中不同層走線的電導(dǎo)體[2]。根據(jù) PCB 設(shè)計(jì)的不同，可以分為貫通孔、盲孔、埋孔，如圖1所示。貫通孔（Through Vias）：貫穿整個(gè)PCB板，可用于實(shí)現(xiàn)層間走線互連或作為元件的安裝定位孔。盲孔（Blind Vias）：是將PCB板內(nèi)層走線與PCB表層走線相連的過(guò)孔類(lèi)型，此孔不穿透整個(gè)PCB板。埋孔（Buried Vias）：是只連接PCB板內(nèi)層之間的走線的過(guò)孔類(lèi)型，從PCB板表面是看不出來(lái)的。導(dǎo)通孔不能只簡(jiǎn)單的看成電氣連接，而必須考慮到其對(duì)信號(hào)完整性的影響[3]。所以理解導(dǎo)通孔的構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)高速數(shù)字電路性能的影響能夠幫助設(shè)計(jì)者解決好信號(hào)完整性問(wèn)題，進(jìn)而優(yōu)化高速數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高高速信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

圖1 導(dǎo)通孔的主要類(lèi)型

在高速電路中，導(dǎo)通孔的等效電氣模型[4][5]可以表示為圖2所示，圖中C1、C2和L分別表示導(dǎo)通孔的寄生電容和寄生電感。

圖2 導(dǎo)通孔的等效電氣模型

可以看出，高速電路中的導(dǎo)通孔都會(huì)產(chǎn)生對(duì)地的寄生電容，寄生電容可以通過(guò)下式計(jì)算[3]：

其中表示導(dǎo)通孔的寄生電容，為接地面上反焊盤(pán)的直徑，為導(dǎo)通孔的焊盤(pán)直徑，為基材的介電常數(shù)，為PCB板厚度。在高速數(shù)字電路中，導(dǎo)通孔的寄生電容使信號(hào)上升時(shí)間減慢或變差，降低了電路速度，對(duì)于一個(gè)特性阻抗為的傳輸線，導(dǎo)通孔的寄生電容和信號(hào)的上升時(shí)間的關(guān)系可以表示為，

高速信號(hào)通過(guò)導(dǎo)通孔時(shí)，同樣也存在寄生電感。高速數(shù)字電路中導(dǎo)通孔的寄生電感帶來(lái)的影響比寄生電容更大，寄生電感可以通過(guò)下式計(jì)算[3]：

其中，表示導(dǎo)通孔的寄生電感，為導(dǎo)通孔長(zhǎng)度，為導(dǎo)通孔直徑。而這個(gè)寄生電感引起的等效阻抗是不能忽略的，等效阻抗與寄生電感及信號(hào)上升時(shí)間的關(guān)系表示為

從上面一系列公式可以看出，導(dǎo)通孔的電氣性能是隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的不同和變化的。導(dǎo)通孔的孔徑、孔長(zhǎng)、焊盤(pán)、反焊盤(pán)的變化，引起高速電路的阻抗不連續(xù)性，進(jìn)而造成信號(hào)完整性問(wèn)題。本文對(duì)信號(hào)特性的分析主要在頻域以S參數(shù)中的S11（回波損耗）和S21（插入損耗）作為指標(biāo)，當(dāng)插入損耗的衰減程度在小于-3 dB情況下的有效工作帶寬[6]來(lái)判斷分析信號(hào)在盲埋孔傳輸性能的優(yōu)劣；而對(duì)于阻抗不連續(xù)性引起的反射，則在時(shí)域用TDR仿真進(jìn)行分析。

2 盲埋孔的建模仿真與結(jié)果分析

為了研究盲埋孔對(duì)高速PCB板信號(hào)特性的影響，本文采用HFSS軟件建立8層PCB板模型[7]如下圖所示，1層～2層、4層～5層、7層～8層為信號(hào)層，第3層為電源層，第6層為接地層，每層板厚度均為0.2 mm（8 mil），介質(zhì)材料為FR4，介電系數(shù)為4。信號(hào)線走線寬度0.1 mm（4 mil），厚度為0.13 mm （1.1 mil）。仿真中的信號(hào)上升時(shí)間均設(shè)置為20 ps，最高掃頻頻率均設(shè)置為100 GHz。

圖3 8層PCB板的疊層結(jié)構(gòu)

2.1 盲埋孔與通孔對(duì)信號(hào)特性影響的比較

當(dāng)信號(hào)線需要從第1層走線，到第5層出線，采用盲孔進(jìn)行連接。盲孔半徑設(shè)為0.1 mm（4 mil），長(zhǎng)度為0.81 mm（32 mil），通過(guò)仿真得到的S11（回波損耗）、S21（插入損耗）參數(shù)以及特性阻抗TDR如圖4所示。為了比較，同時(shí)還設(shè)計(jì)了通孔連接，通孔半徑也設(shè)為0.1 mm，此時(shí)產(chǎn)生通孔多余短柱長(zhǎng)度為0.6 mm，得到的S11、S21參數(shù)以及特性阻抗TDR如圖5所示。

從上圖可以看出，盲孔的回波損耗S11參數(shù)在頻率范圍40 GHz ～ 80 GHz時(shí)衰減只有4 dB ～ 7 dB，而通孔的S11參數(shù)在頻率范圍40 GHz ～ 80 GHz時(shí)衰減為4 dB ～ 10 dB；盲孔的插入損耗S21參數(shù)在76GHz時(shí)衰減到最大值，而通孔的S21在52 GHz時(shí)就已經(jīng)衰減到最大值了。若要保證插入損耗小于-3 dB，則盲孔的工作帶寬有22 GHz，而通孔的工作帶寬只有15 GHz；在特性阻抗TDR曲線中，盲孔的特性阻抗變化范圍為46～52，而通孔的特性阻抗TDR曲線變化范圍則為42～53 ，盲孔擁有更好的傳輸線阻抗連續(xù)性。所以從S參數(shù)和特性阻抗TDR變化的穩(wěn)定性表明：采用盲孔比采用通孔對(duì)于在PCB板頂層與內(nèi)層的信號(hào)線連接或者底層與內(nèi)層的信號(hào)線連接具有更好的傳輸質(zhì)量。

當(dāng)信號(hào)線在內(nèi)層走線時(shí)，從第2層走線，到第5層出線，采用埋孔進(jìn)行連接。埋孔半徑設(shè)為0.1 mm，長(zhǎng)度為0.57，得到的S11、S21參數(shù)以及特性阻抗TDR如圖6所示。同時(shí)采用通孔連接進(jìn)行比較，通孔半徑為0.1 mil，此時(shí)1層～2層之間產(chǎn)生的多余短柱長(zhǎng)度為0.23 mm，5層～8層之間產(chǎn)生的多余短柱長(zhǎng)度為0.6 mm，通孔的S11、S21參數(shù)以及特性阻抗TDR如圖7所示。

圖4 盲孔的S參數(shù)與特性阻抗TDR

圖5 從頂層到第5層走線中采用通孔的S參數(shù)與特性阻抗TDR曲線

圖6 埋孔的S參數(shù)與特性阻抗TDR

從圖6和圖7可以看出，埋孔的S11參數(shù)在頻率范圍40 GHz ～ 80 GHz時(shí)衰減只有4 dB ～ 8 dB，且曲線較為平緩，而通孔的S11參數(shù)在頻率范圍40 GHz ～ 80 GHz時(shí)衰減為4 dB ～ 10 dB，特別在32 GHz時(shí)，衰減突變?yōu)?3 dB，影響了傳輸?shù)姆€(wěn)定性；埋孔的S21參數(shù)在77 GHz時(shí)衰減到最大值,，而通孔的S21在54 GHz時(shí)就已經(jīng)衰減到最大值了，若要保證插入損耗小于-3 dB，則埋孔的工作帶寬有32 GHz，而通孔的工作帶寬只有20 GHz；另一方面，在特性阻抗TDR曲線中，埋孔的特性阻抗TDR曲線變化范圍為41.8～52，而通孔的特性阻抗變化范圍則為37.5～52，相對(duì)于通孔而言埋孔擁有更好的傳輸線阻抗連續(xù)性。所以從S參數(shù)和特性阻抗TDR變化的穩(wěn)定性表明：在內(nèi)層信號(hào)線之間的電氣連接中，采用埋孔比采用通孔，更有利于提高PCB板內(nèi)層信號(hào)線之間的信號(hào)傳輸質(zhì)量。

圖7 在2～5層走線時(shí)采用通孔的S參數(shù)與特性阻抗TDR曲線

2.2 盲埋孔孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)大小對(duì)信號(hào)特性的影響

為了研究盲埋孔孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)大小對(duì)信號(hào)特性的影響，將盲埋孔的焊盤(pán)、反焊盤(pán)大小固定，盲埋孔半徑初值設(shè)置為0.1 mm，由0.1 mm ～0.175 mm進(jìn)行變化，得到的S21參數(shù)與特性阻抗TDR曲線如圖8所示。

圖8 孔徑大小對(duì)盲埋孔信號(hào)特性的影響

可以看出當(dāng)盲孔半徑由0.1 mm到0.175 mm進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由6增加到13.5，阻抗不連續(xù)性程度不斷增加，且引起的插入損耗S21的幅度也隨之增加，在頻率范圍20 GHz ～ 60 GHz中的最大衰減增加了1.7dB。同時(shí)當(dāng)埋孔半徑由4 mil到7 mil進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由10增加到17，且引起的插入損耗S21的幅度也隨之增加，特別在頻率范圍20 GHz ～60 GHz中的最大衰減增加了1.6 dB。

將盲埋孔的孔徑、反焊盤(pán)大小固定，盲埋孔焊盤(pán)初值設(shè)置為0.2 mm，由0.2 mm ～ 0.28 mm進(jìn)行變化，得到的S21參數(shù)與特性阻抗TDR曲線如圖9所示。

圖9 焊盤(pán)大小對(duì)盲埋孔信號(hào)特性的影響

可以看出當(dāng)盲孔焊盤(pán)大小由0.2 mm到0.28 mm進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由6.5增加到10.5，引起的插入損耗S21的幅度也隨之增加，且最大衰減增加了2 dB。同時(shí)當(dāng)埋孔半徑由0.2 mm到0.28 mm進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由10.5增加到15.5，阻抗不連續(xù)性程度不斷增加，且引起的插入損耗S21的幅度也隨之增加，最大衰減增加了3.2 dB。

將盲埋孔的孔徑、焊盤(pán)大小固定，盲埋孔反焊盤(pán)初值設(shè)置為0.3 mm，由0.3 mm ～ 0.375 mm進(jìn)行變化，得到的S21參數(shù)與特性阻抗TDR曲線如圖10。

可以看出當(dāng)盲孔反焊盤(pán)大小由0.3 mm到0.375 mm進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由6.75減小到5.5，阻抗不連續(xù)性程度不斷減小，引起的插入損耗S21的幅度也隨之減小，且最大衰減減小了3.2 dB。同時(shí)當(dāng)埋孔半徑由0.3 mm到0.375 mm進(jìn)行變化時(shí)，阻抗的變化范圍由10減小到7.5，阻抗不連續(xù)性程度不斷減小，且引起的插入損耗S21的幅度也隨之減小，且最大衰減減小了3 dB。

圖10 反焊盤(pán)大小對(duì)盲埋孔信號(hào)特性的影響

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)HFSS建立了8層板盲埋孔三維模型，分別將盲埋孔和導(dǎo)通孔作用在信號(hào)走線在非頂層和底層的電氣連接中，并將盲埋孔與導(dǎo)通孔的S參數(shù)和特性阻抗TDR曲線進(jìn)行了比較分析，盲埋孔比導(dǎo)通孔具有更小的插入損耗和更好的阻抗連續(xù)性，在保證插入損耗小于-3 dB的條件下，盲埋孔比導(dǎo)通孔有更寬的工作帶寬。

本文還分析了孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)幾種參數(shù)對(duì)盲埋孔信號(hào)特性的影響。隨著盲埋孔的孔徑和焊盤(pán)尺寸的增加，信號(hào)的插入損耗衰減逐漸增大，且阻抗不連續(xù)性程度不斷變大；而隨著盲埋孔的反焊盤(pán)尺寸的增加，信號(hào)的插入損耗衰減逐漸減小，阻抗不連續(xù)性程度變得越小。若要使得插入損耗小于-3 dB且有效工作帶寬能達(dá)到20 GHz的情況下，則盲孔的半徑不要大于0.175 mm，埋孔的半徑不要大于0.2 3 mm；盲孔的焊盤(pán)不要大于0.25 mm，埋孔的焊盤(pán)不要大于0.275 mm；盲孔的反焊盤(pán)不要小于0.25 mm，埋孔的反焊盤(pán)不要小于0.23mm。若要將阻抗變化范圍控制在±10%內(nèi)，盲埋孔的半徑均不要大于0.125 mm；盲孔焊盤(pán)不要大于0.25 mm，埋孔焊盤(pán)不要大于0.175 mm；盲孔反焊盤(pán)不要小于0.275 mm，埋孔反焊盤(pán)不要小于0.4 mm。

[1]侯瑩瑩, 關(guān)丹丹. 導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)對(duì)高速信號(hào)完整性的影響[J]. 印制電路信息, 2009(10): 50-53.

[2]K. C. Gupta，R. Garg, I. Bahl, et al. Microstrip Lines and Slotlines[J]. Norwood,MA: Artech House, 1996: 357-363.

[3]Howard Johnson著, 沈立等譯. 高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[4]Martin Graham. PH.D. High-speed Digital Design[J]. A Hand book of Black Magic. University of California at Berkeley.

[5]E. Laermans, J. De Geest, D.De Zutter, et al. Modeling differential via holes[J]. IEEE Trans. Advanced Packaging, 2001, 24 (3):357-363.

[6]陳振國(guó). 微波技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2003:120.

[7]Ansoft Corporation. HFSS Full Book[R]. Ansoft Corporation, 2005

廖惜春，教授，主要從事射頻通信理論與應(yīng)用、信號(hào)處理研究與教學(xué)。

屈峰成，碩士研究生，主要研究高速數(shù)字信號(hào)完整性分析。

Impact of blind via and buried via on high speed PCB signal property

LIAO Xi-chun QU Feng-cheng

As the operating frequency increases and signal rise time reduces, Blind via and buried via cause impedance discontinuities resulting in signal reflections and hence deterioration of system performance in the multi-layers PCB design. So the design of blind via and buried via has been the one of key factors of the high-speed digital circuit. The paper carries out a study of blind via and buried via structure in multi-layers PCBs by modeling and simulation, using a full-wave electromagnetic simulator, and comparing with the through via, analyzes the impact of blind via and buried via diameter, pad and anti-pad on signal property.

High-Speed Digital Circuit; Blind Via; Buried Via; Signal Integrity

TN41

A

1009-0096（2014）01-0045-05