高速PCB過孔的研究

在數字通信系統中，隨著PCB布線密 度，布線層數和傳輸信號速率的不斷增加，信號完整性的問題變得越來越突出，已經成為高速PCB設計者巨大的挑戰。而在高速PCB設計中，過孔已經越來越普 遍使用，其本身的寄生參數極易造成信號完整性問題，如何減少過孔本身所產生的信號完整性問題，已經成為高速PCB設計者研究的重點和難點。
　　過孔是多層高速PCB的重要組成部分，過孔的費用通?？梢哉嫉秸麄€PCB費用30%~40%，過孔主要由兩個作用：不同層的電氣連接和器件的固定 和定位。工藝上分為盲孔，埋孔和通孔。盲孔和埋孔得深度不超過PCB的厚度，只連通PCB中的部分層；通孔則貫穿整個PCB層，另外由于通孔在工藝上更易 實現，成本較低，所以絕大部分PCB只使用通孔，本文主要討論通孔的情況。
　　若經過嚴格的物理理論推導和近似分析，可以把過孔的等效電路模型為一個電感兩端各串聯一個接地電容，如圖所示。
　　
　　圖 過孔的等效電路模型
　　從等效電路模型可知，過孔本身存在對地的寄生電容，假設過孔反焊盤直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，板基材介電常數為ε，則過孔的寄生電容大小近似于：
　　
　　過 孔的寄生電容可以導致信號上升時間延長，傳輸速度減慢，從而惡化信號質量。同樣，過孔同時也存在寄生電感，在高速數字PCB中，寄生電感帶來的危 害往往大于寄生電容。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，從而減弱整個電源系統的濾波效用。假設L為過孔的電感，h為過孔的長度，d為中心鉆孔的直 徑。過孔近似的寄生電感大小近似于：
　　
　　為 了量化分析過孔直徑，過孔深度，過孔焊盤和反焊盤幾種關鍵參數對高速PCB的信號完整性的影響，本文采用了全波電磁仿真軟件HFSS軟件對高速 PCB過孔進行了三維仿真分析，與傳統的電路等效方式仿真，全波電磁仿真軟件具有仿真結果準確可靠，仿真速度快，界面友好等優點。為詳細分析過孔的關鍵參 數對過孔性能的影響，把部分關鍵參數設置為動態，設置如下：材質為FR4，介點系數為4.4，反焊盤直徑R_antipad變化范圍 10mil~17mil；過孔直徑R_via變化范圍10mil~13mil，過孔焊盤R_pad變化范圍12mil~16mil，過孔深度H_pad變 化范圍59mil~70mil。