高速PCB过孔的研究

在数字通信系统中，随着PCB布线密 度，布线层数和传输信号速率的不断增加，信号完整性的问题变得越来越突出，已经成为高速PCB设计者巨大的挑战。而在高速PCB设计中，过孔已经越来越普 遍使用，其本身的寄生参数极易造成信号完整性问题，如何减少过孔本身所产生的信号完整性问题，已经成为高速PCB设计者研究的重点和难点。
　　过孔是多层高速PCB的重要组成部分，过孔的费用通常可以占到整个PCB费用30%~40%，过孔主要由两个作用：不同层的电气连接和器件的固定 和定位。工艺上分为盲孔，埋孔和通孔。盲孔和埋孔得深度不超过PCB的厚度，只连通PCB中的部分层；通孔则贯穿整个PCB层，另外由于通孔在工艺上更易 实现，成本较低，所以绝大部分PCB只使用通孔，本文主要讨论通孔的情况。
　　若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如图所示。
　　
　　图 过孔的等效电路模型
　　从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：
　　
　　过 孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危 害往往大于寄生电容。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直 径。过孔近似的寄生电感大小近似于：
　　
　　为 了量化分析过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响，本文采用了全波电磁仿真软件HFSS软件对高速 PCB过孔进行了三维仿真分析，与传统的电路等效方式仿真，全波电磁仿真软件具有仿真结果准确可靠，仿真速度快，界面友好等优点。为详细分析过孔的关键参 数对过孔性能的影响，把部分关键参数设置为动态，设置如下：材质为FR4，介点系数为4.4，反焊盘直径R_antipad变化范围 10mil~17mil；过孔直径R_via变化范围10mil~13mil，过孔焊盘R_pad变化范围12mil~16mil，过孔深度H_pad变 化范围59mil~70mil。