差分对与过孔有关的四件事

在一个高速印刷威廉希尔官方网站板 (PCB) 中，通孔在降低信号完整性性能方面一直饱受诟病。然而，过孔的使用是不可避免的。在标准的威廉希尔官方网站板上，元器件被放置在顶层，而差分对的走线在内层。内层的电磁辐射和对与对之间的串扰较低。必须使用过孔将威廉希尔官方网站板平面上的组件与内层相连。
幸运的是，可设计出一种透明的过孔来最大限度地减少对性能的影响。在这篇博客中，我将讨论以下内容：

过孔的基本元件
过孔的电气属性
一个构建透明过孔的方法
差分过孔结构的测试结果

1. 过孔结构的基础知识

让我们从检查简单过孔中将顶部传输线与内层相连的元件开始。图1是显示过孔结构的3D图。有四个基本元件：信号过孔、过孔残桩、过孔焊盘和隔离盘。
过孔是镀在威廉希尔官方网站板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。

图1：单个过孔的3D图

2. 过孔元件的电气属性

如表格1所示，我们来仔细看一看每个过孔元件的电气属性。

层	过孔元件	电气属性
层1（顶层）	过孔焊盘	过孔焊盘在焊盘和下方的接地层之间引入寄生电容。
1-2层（过孔）	信号过孔	过孔是一个电感器。
层2（平面层）	隔离盘	隔离盘在金属圆柱表面和附近的过孔周围接地层之间产生边缘电容。
2-3层（过孔）	信号过孔	电感。
层3（信号）	过孔焊盘	焊盘与其上下的接地层之间的寄生电容。
3-4层（过孔）	过孔残桩	过孔的未使用部分形成电容短截线效应。
层4（平面层）	隔离盘	电容。
4-5层（过孔）	过孔残桩	过孔的未使用部分形成电容短截线效应。
层5（底层）	过孔焊盘	电容。

表1：图1中显示的过孔元件的电气属性

一个简单过孔是一系列的π型网络，它由两个相邻层内构成的电容-电感-电容 (C-L-C) 元件组成。表格2显示的是过孔尺寸的影响。

	相关尺寸	电气属性	对电容阻抗 (Zo) 的影响
过孔焊盘	小焊盘直径	C↓	Zo↑
过孔大小	小孔直径	L↑	Zo↑
隔离盘	大隔离盘直径	C↓	Zo↑
过孔长度	更长的过孔长度	L↑	Zo↑
电源/接地层	更多平面层	C↑	Zo↓
过孔残桩	更长的过孔残桩	C↑	Zo↓
过孔间距	更小的过孔间距	C↑	Zo↓

表2：过孔尺寸的直观影响

通过平衡电感与寄生电容的大小，可以设计出与传输线具有相同特性阻抗的过孔，从而变得不会对威廉希尔官方网站板运行产生特别的影响。还没有简单的公式可以在过孔尺寸与C和L元件之间进行转换。3D电磁 (EM) 场解算程序可以根据PCB布局布线中使用的尺寸来预测结构阻抗。通过重复调整结构尺寸和运行3D仿真，可优化过孔尺寸，来实现所需阻抗和带宽要求。
3. 设计一个透明的差分过孔
我们曾在之前的帖子中讨论过，在实现差分对时，线路A与线路B之间必须高度对称。这些对在同一层内走线，如果需要一个过孔，必须在两条线路的临近位置上打孔。由于差分对的两个过孔距离很近，两个过孔共用的一个椭圆形隔离盘能够减少寄生电容，而不是使用两个单独的隔离盘。接地过孔也被放置在每个过孔的旁边，这样的话，它们就能够为A和B过孔提供接地返回路径。
图2显示的是一个地-信号-信号-地 (GSSG) 差分过孔结构示例。两个相邻过孔间的距离被称为过孔间距。过孔间距越小，互耦合电容越多。

图2：使用背面钻孔的GSSG差分过孔

不要忘记，在传输速率超过10Gbps时，过孔残桩会严重影响高速信号完整性。幸运的是，有一种背面钻孔PCB制造工艺，此工艺可以在未使用的过孔圆柱上钻孔。根据制造工艺公差的不同，背面钻孔去除了未使用的过孔金属，并最大限度地将过孔残桩减少到10mil以下。
3D EM仿真器用来根据所需的阻抗和带宽来设计差分过孔。这是一个反复的过程。此过程重复地调整过孔尺寸，并运行EM仿真，直到实现所需的阻抗和带宽。
4. 如何验证性能
图2中显示的差分过孔设计已构建完毕并经测试。测试样片包括顶层的一对差分线，之后是到内部差分线的差分过孔，然后第二对差分过孔再次连接至顶层的球状引脚栅格阵列封装 (BGA) 接地焊盘。信号路径的总长度大约为1330mil。我用差分时域反射仪 (TDR) 测得其差分阻抗，用网络分析仪测得了带宽，并用高速示波器测量了数据眼图来了解其对信号的影响。图3，4，5分别显示了阻抗、带宽和眼图。左图是使用背面钻孔时的测试结果，而右图是无背面钻孔的测试结果。在图5中的带宽波特图中，我们可以很清楚地看到背面钻孔对于在数据速率大于10Gbps 的情况下实现高性能是必不可少的。
使用背面钻孔，ZDIFF大约为85Ω 无背面钻孔，ZDIFF大约为58Ω

图3：TDR阻抗波特图

12.5GHz时的插入损耗大约为3dB 12.5GHz时的插入损耗大于8dB

图4：频率响应

使用背面钻孔时，数据眼是打开的无背面钻孔时，数据眼是关闭的

图5:25Gbps时的数据眼图

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张倩

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