一種基于高速通信板卡的特殊過孔設(shè)計(jì)方案

作者/應(yīng)霞，科銳安網(wǎng)絡(luò)（上海）有限公司

一種基于高速通信板卡的特殊過孔設(shè)計(jì)方案

作者/應(yīng)霞，科銳安網(wǎng)絡(luò)（上海）有限公司

本文介紹了在高速通信PCB中的一種特殊的過孔設(shè)計(jì)方案。針對(duì)通信板卡的特點(diǎn)，研究和分析了如何設(shè)計(jì)一種過孔，使之既能適用于高速SERDES信號(hào)，又能滿足大電流的需求。在本文中根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況，設(shè)計(jì)了一種符合實(shí)際工程需要的特殊過孔，以達(dá)到既能保證高速信號(hào)的信號(hào)完整性，又能改善大功率芯片的電源完整性的目的。

過孔；高速PCB；信號(hào)完整性；電源完整性

引言

近年來隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，高速電路設(shè)計(jì)在通信板卡中的應(yīng)用也越來越廣泛，而過孔在這些高速多層板卡設(shè)計(jì)中起著重要的作用。過孔（via），是連接多層PCB中不同層走線的重要電導(dǎo)體。從工藝制程上來看，過孔結(jié)構(gòu)主要分為三類，包括通孔（through via）、盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。注，微孔（laser via）是一種特殊的盲孔。

通孔，顧名思義是指貫穿整個(gè)PCB所有層的過孔，這種過孔可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部任意層互聯(lián)，由于在工藝上容易實(shí)現(xiàn)，所以成本較低廉，應(yīng)用廣泛。盲孔，一般位于PCB的頂層或底層表面，具有一定深度，但又不打穿PCB，用于連接表層線路和內(nèi)層線路，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑比)。埋孔，是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到PCB的表面。盲孔和埋孔這兩類孔，都位于線路板的內(nèi)層，在層壓前利用通孔成型工藝完成，在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層，需要進(jìn)行多次層壓，所以成本相對(duì)較高。通常，盲埋孔技術(shù)用于一般的移動(dòng)終端，如手機(jī)，GPS導(dǎo)航等便攜式設(shè)備。

對(duì)于通信板卡來說，通常具有板厚較厚，面積較大等特點(diǎn)，所以在一般的設(shè)計(jì)中，通常選用通孔作為主要的過孔。本文通過設(shè)計(jì)了一種符合實(shí)際工程需要的特殊過孔，用來改善其在高速PCB設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的諸多問題。在高速、高密度的通信板卡設(shè)計(jì)中，給出一種優(yōu)化的過孔的解決方案。

1. 項(xiàng)目背景及面臨的挑戰(zhàn)

目前，我們所設(shè)計(jì)的通信板卡，主要是傳輸28Gbps以上速率的高速信號(hào)，PCB的板層厚度在24—28層。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制條件，需要控制板卡厚度在3.5mm以下。根據(jù)以上條件，在設(shè)置疊層的時(shí)候，通常把高速信號(hào)層設(shè)置為0.5oz（17.5um），電源層設(shè)置為2oz（70um）。

在高速通信板卡上所面臨的問題主要有兩大類。即，信號(hào)完整性問題和電源完整性問題。本設(shè)計(jì)的主要目的就是通過優(yōu)化過孔設(shè)計(jì)方案，盡可能地解決和改善這兩個(gè)問題。

1.1 信號(hào)完整性問題

在高速PCB上，通常選用的傳輸線銅箔厚度一般為0.6mil（0.5oz）左右，而過孔內(nèi)電鍍的銅箔厚度，一般為1mil，所以展開來看，過孔內(nèi)的銅箔厚度大于傳輸線的銅箔厚度。由此可以看出，在傳輸線上，由于過孔的存在，整條傳輸線鏈路上的銅箔厚度是不一致的，在過孔區(qū)域，我們可以理解為有一個(gè)阻抗突變的現(xiàn)象，導(dǎo)致整條傳輸線上阻抗不連續(xù)，這樣也會(huì)引起信號(hào)反射等一系列影響信號(hào)完整性的問題。

另外，過孔本身會(huì)產(chǎn)生寄生電容和寄生電感。過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。而寄生電感通常會(huì)削弱旁路電容的作用，從而減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。所以，對(duì)于高速高密度的通信板卡，設(shè)計(jì)一種合理的過孔是非常重要的事情。

1.2 電源完整性問題

我們知道，在通孔的作用下，實(shí)際上整個(gè)板卡的所有層都會(huì)被打穿，這里就包括我們所說的電源層。目前，在通信板卡中的主芯片都需要承載巨大的業(yè)務(wù)量，所以，各芯片的功耗也越來越大。以Boardcom公司的某款芯片為例，其滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功耗為93W，其額定電壓為0.9V，那么其最大電流為103A。我們知道，實(shí)際上流經(jīng)PCB上的電流是與銅箔的截面積有關(guān)的，即銅箔的厚度乘以線寬。

目前在我們的設(shè)計(jì)中，PCB上的電源層所用的銅箔厚度為2oz，也就是70um，它乘以電源層銅皮的寬度就是我們所要求的截面積。由于，在傳統(tǒng)板卡上選用通孔結(jié)構(gòu)，勢必導(dǎo)致BGA下面的大片銅箔被打穿，形成一個(gè)個(gè)孔洞，可以想象，BGA下面整個(gè)電源平面被打的支離破碎，無法保證大電流順利通過，電源的直流壓降必然會(huì)受到很大的影響。同時(shí)，在這些過孔與過孔的間隙中所通過的電流，其電流密度必然是上升的，還會(huì)導(dǎo)致銅箔的溫升問題。

2. 過孔優(yōu)化解決方案

隨著通信板卡速率的不斷提升，如何更好地解決信號(hào)完整性和電源完整性問題成為了迫在眉睫的任務(wù)。在本文中，我們提出了一種特殊的過孔方式，即N+N過孔方式，來改善高速通信板卡性能。以28層的PCB板卡為例，即以用一個(gè)1—14層的頂層盲孔和一個(gè)15—28層的底層盲孔，分別進(jìn)行一次層壓，再把兩個(gè)子板再次壓合在一起的技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 N+N過孔結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)完整性改善

對(duì)于高速信號(hào)來說，為了保證其信號(hào)完整性，通常我們會(huì)采用背鉆技術(shù)（Back Drill）。背鉆，簡單來說就是把通孔中所遺留的stub鉆掉的技術(shù)。在多層板的制作中，例如28層板的制作，我們需要將第1層連到第12層，通常我們先鉆出通孔，然后沉銅。這樣做成的通孔是第1層直接連到第28層，實(shí)際我們只需要第1層連到第12層，第13到第28層由于沒有線路相連，像一個(gè)柱子。這個(gè)多余出來的柱子就叫做stub，它會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量，在高速電路中會(huì)引起信號(hào)完整性問題。為保證信號(hào)質(zhì)量，我們會(huì)選擇高速的信號(hào)過孔做背鉆，即從反面鉆掉這些多余的stub。而N+N過孔結(jié)構(gòu)的好處在于，大部分的信號(hào)（用了1—14層或15—28層盲孔的）天然的就少掉了一半的stub。這樣可以減少一部分背鉆的層階，從而降低一部分成本。同時(shí)，這種N+N過孔結(jié)構(gòu)，縮短過孔的長度，過孔越長其寄生電容和寄生電感也越大，所以選用N+N的過孔，能夠有效的改善信號(hào)完整性的問題。

2.2 電源完整性改善

目前，在通信板卡中的主芯片都需要承載巨大的業(yè)務(wù)量，因此芯片的電流也達(dá)到了100A以上。那么如何保證電源的完整性，使得電源的直流壓降在允許范圍之內(nèi)成為了我們要重點(diǎn)討論的問題。如果還是沿用原先的通孔技術(shù)，那么在BGA下的各個(gè)電源層毫無疑問是會(huì)全部打穿的。但是，如果運(yùn)用N+N的過孔技術(shù)，那么我們只需要打穿上半層（1—14層），而保留下半層（15—28）的完整平面即可。如圖2所示。在圖a)顯示的是上半層（1—14層）的電源平面，從圖中可以看到電源平面完全被打穿，過孔與過孔之間的間隙非常的小，在如此窄的銅皮寬度下所承載的電流也必然非常小。在圖b）中顯示的是下半層（15—28層）的電源平面，從圖a)和圖b)對(duì)比來看，N+N的過孔技術(shù)使下半層的電源層盡可能地保留了完整的平面，使其能承載更大的電流，從而有效地改善了電源完整性的問題，保證了主芯片的直流壓降在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

圖2 N+N過孔結(jié)構(gòu)下上、下半層電源平面圖

3. 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了如何合理地設(shè)計(jì)一種特殊過孔，使之能有效地改善高速通信板卡的信號(hào)完整性和電源完整性的問題。首先，介紹了目前通用的過孔技術(shù)；然后，詳細(xì)闡述了項(xiàng)目背景以及在該項(xiàng)目條件下工程設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)；最后，通過特殊的過孔設(shè)計(jì)，N+N過孔設(shè)計(jì)方案，有效地優(yōu)化和改善了高速通信板卡的信號(hào)完整性和電源完整性問題。

＊ [1]高速數(shù)字系統(tǒng)中的信號(hào)完整性及實(shí)施方案[J]. 張紹軍,黃振.電子技術(shù)應(yīng)用. 2002(11)

＊ [2]高速PCB的互連綜合[J]. 曹躍勝.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì). 2000(05)