技术资讯 I 渐变线或泪滴的最佳长度设计

有时，走线、焊盘与过孔之间的连接处会添加渐变线或泪滴，旨在提高两个铜区之间的连接稳固性。泪滴和渐变线本质上是相同的，通常具有线形轮廓，也可以设计为弧形轮廓。在确定渐变线或泪滴的位置时，需要重点考虑走线、焊盘或过孔之间铜走线或渐变线连接的长度。

借助 PCB 布线软件中的渐变线和泪滴布局工具，设计人员能够轻松放置常见的连接形状。在大多数设计工具的基本功能是将渐变线采用直线轮廓。随后，渐变线或泪滴在 PCB layout 中显示为走线部分或覆铜区域。

放置渐变走线或泪滴时，始终要考虑长度设置。没有一种特定的长度设置适用于所有情况，具体的长度设置取决于放置泪滴的目的。为了确定应采用的泪滴长度和尺寸，我们将从多个角度分析泪滴在 PCB layout 中的位置。

泪滴和渐变线的轮廓

如上所述，泪滴和渐变线看起来都差不多。PCB 中最常见的泪滴或渐变线采用线性轮廓，渐变线以直线轮廓进入焊盘或过孔。下方示例显示了 PCB 中的两种放置形式：作为一组走线（左）或一小部分覆铜（右）。

从上图可以看出，渐变线和泪滴能够在走线与焊盘或过孔之间建立更稳固的连接。这尤其适用于图中右侧非常细的走线，其中走线正在接入连接焊盘。

下面列出了 PCB 中焊盘、走线过渡和过孔上采用渐变线和泪滴的一些理由。尽管 PCB 的正常运行不需要在走线上添加泪滴或渐变线，但在某些情况下，它们是非常有用的设计功能，具体如下所述。

走线到走线	两种走线宽度之间实现平滑过渡 有助减少两条走线之间的反射
走线到 SMD 焊盘	在焊接区域附近增加覆铜 还可以为细走线提供阻抗匹配功能
走线到过孔	增加覆铜面积，减少断裂的可能性 也可以匹配过孔的阻抗

综上所述，建议使用泪滴和渐变线来确保两个方面的功能：制造和信号完整性（尤其是在 RF 设计中）。在 RF 领域，这种结构通常被称为渐变线，其放置不一定是出于可制造性的考虑。在另一个与可靠性相关的示例中，它通常被称为泪滴，用于确保足够高的良率。一些制造商建议在所有情况下都放置泪滴，除非过孔连接焊盘的直径较大。

泪滴设计，提升制造可靠性

如上所述，为了提升制造可靠性，通常会在走线与焊盘的连接处添加泪滴。最常见的渐变线应用示例是将其放置在走线和过孔之间，目的是为了防止在钻孔时发生崩孔，并防止走线与过孔焊盘的连接断开。

在具有较高走线和焊盘密度的设计中，因为空间有限，添加泪滴可能会面临挑战。就过孔而言，它们有可能是盘中孔，也可能是 BGA 扇出的一部分。在高密度布线区域，由于尺寸较大，泪滴可能会侵入其他焊盘或过孔，如下图所示。

高密 layout 中的渐变线

此处面临的挑战是如何放置正确尺寸的渐变线，同时保持铜盘/过孔与泪滴之间所需的间距。通常情况下，首先按照钻孔到钻孔间距要求设定密度限制，在标准工艺中该间距约为 10mil。紧接着根据相关堆叠的特定长宽比目标，设置焊盘/钻孔尺寸。然后选择走线宽度并添加泪滴。如果出于可靠性考虑需要添加泪滴，最好在确定过孔尺寸时设定泪滴的尺寸限制，以避免违反间距要求。

渐变线阻抗匹配

另一个渐变线应用示例与阻抗匹配有关。有时，RF 设备会使用渐变线来匹配走线与 PCB 上另一个印刷器件的阻抗，例如连接器 footprint、印刷滤波器的输入端或具有不同阻抗的另一条走线。渐变线会改变走线阻抗，使其在两个值之间平稳过渡，从而减少信号沿渐变线传输时的功率损耗。

采用渐变线的系统的拓扑结构包括两个需要匹配的阻抗值，它们是两个值之间匹配的示例。通过将宽线逐渐收窄，渐变线在低阻抗值和高阻抗值之间缓慢过渡。

为了尽可能减少每个端口的反射，渐变线的长度必须远大于进入渐变线的信号的工作波长。这意味着渐变线的使用取决于系统的频率范围。一般情况下，有两个可能的频率范围：

低频——在低频下，渐变线可能非常长，在 PCB 上并不总是实用。因此，使用标准阻抗匹配网络更为合适。

高频——在高频下，很难找到合适的分立元件来进行阻抗匹配，因此印刷渐变线成为最佳选择。

可以对渐变线或泪滴

进行仿真和分析吗？

有时需要分析渐变线或泪滴设计，特别是为了确保信号完整性。这主要发生在高速设计中，当传输速度非常快的信号被放置在走线或差分对上时，必须检查这些结构。在这种情况下，可将泪滴添加到焊盘或过孔中，但泪滴可能会影响走线的阻抗匹配。可以通过对比有无泪滴的S参数来评估其影响。当信号带宽在 GHz 范围内时，过孔上的泪滴会变得尤为重要。

使用渐变线时，必须进行仿真。由于渐变线的长度尺度，它们往往会在非常高的频率下产生影响。在渐变线适用的毫米波频率下，需要通过仿真来验证阻抗匹配是否成功。只要渐变线在信号带宽内提供所需的匹配，渐变线设计渐变线设计即为成功。

验证渐变走线和泪滴所需的系统分析工具包括3D 电磁场求解器和S参数仿真引擎。3D 求解器可用于提取简单走线的 S 参数，并将其导出到 Touchstone 文件（.s2p 文件）。导出的 Touchstone 文件随后可用于线性网络仿真，以模拟连接传输线和过孔/焊盘/缓冲器上渐变线的使用情况。整个工作流程非常简单：

使用预期的堆叠和渐变线/泪滴设计，建立一个简单的仿真测试。

将简单的焊盘作为输入和输出端口。

定义简单的边界条件，通过仿真器提取 S 参数。

导出 Touchstone 文件，重新导入网络仿真器。

计算新级联线性网络线性网络的 S 参数。

在 RF 设计或高速设计中，若需为走线添加泪滴或渐变线，请使用 Cadence 的系统分析工具来设计和仿真 PCB 信号完整性。Cadence AWR Design Environment 软件平台先进的仿真技术可以提供快速、准确的结果，以及完全集成的系统、电路和电磁分析都可以释放工程生产力，助力工程师客服通信和雷达系统方面的挑战。