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高速高频PCB设计中,过孔残桩是一个不容忽视的问题

发布日期:2023-12-20     189 次

过孔的应用场景非常多,过孔的结构也是相当复杂,在写《ADS信号完整性仿真与实战》一书时,用了一整章介绍了过孔。如下是过孔的一张简化结构图:

微信图片_20231215230901.jpg

其中就包括了过孔的残桩Stub。

通常,在普通设计高多层板的时候,工程师都是想着把高速信号线或者射频线设计在内层(带状线)或者外层(微带线)好就行,而不考虑到底是布线在内层的第几层,认为带状线性能都是一样的。

微信图片_20231215230913.png

其实并不是如此的,就近期我们处理的一个案例来讲,原本其设计如下图所示:

微信图片_20231215230920.png

经过仿真之后,得到的插入损耗和回波损耗的结果如下图所示:

微信图片_20231215230924.png

从上面的结果可以看到,不管是插入损耗还是回波损耗都非常差。再查看其阻抗,如下图所示:

微信图片_20231215230926.png

从上图可以看到,其阻抗只有61ohm。以上的设计中,残桩最大值达到了72mil。按照生产工艺,在仿真软件ADS中把过孔的残桩去掉之后,如下图所示:

微信图片_20231215230931.jpg


获得的仿真结果与原始的对比如下图所示:

微信图片_20231215230934.jpg

显然,去掉残桩之后,插入损耗和回波损耗都得到了很好的改善。在14GHz左右,插入损耗相差约40dB,回波损耗也相差了约13dB。这对于高速信号的设计影响非常的大。再对比下其阻抗,如下图所示:

微信图片_20231215230937.png

两个设计的过孔阻抗相差了约20ohm。

下面从大家比较熟知的眼图,也可以看到一些结果上的差异:

微信图片_20231215230942.jpg

上图是按照16Gbps的信号速率获得的眼图结果,显然,存在很大残桩时,其眼图完全闭合,而去掉残桩之后,其眼图张开了。

所以,过孔残桩会直接影响到信号传输的性能,工程师在设计时要重视过孔残桩的存在。在信号速率比较高,且残桩比较长时,在PCB生产时,要考虑在过孔处使用Backdrill工艺,或者使用盲埋孔。当然,并不是每一类设计都要使用Backdrill工艺或者盲埋孔,因为它们都会带来成本上的增加。


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