過(guò)孔殘根對(duì)信號(hào)完整性的影響

邱小華 楊鵬飛 曾憲悉 胡玉春

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

高速PCB線路設(shè)計(jì)的目的是使得數(shù)據(jù)能夠高效準(zhǔn)確的傳輸，就必須要保證所設(shè)計(jì)電路的信號(hào)完整性（SI）。在高速線路中工作頻率越來(lái)越高，在信號(hào)的傳輸過(guò)程中受多種不利因素的影響致使信號(hào)失真。內(nèi)層信號(hào)線過(guò)孔時(shí)導(dǎo)通孔的殘根（Stub）產(chǎn)生的寄生電容不僅會(huì)影響阻抗的大小與時(shí)延，反射也會(huì)干擾信號(hào)的傳輸導(dǎo)致?lián)p耗的增加，為得到更好的信號(hào)傳輸質(zhì)量，一個(gè)常用的方法就是對(duì)帶狀線（Strip line）的信號(hào)傳輸孔進(jìn)行背鉆，將殘根進(jìn)行鉆除或減少，從而減少寄生電容和電感對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

本文主要就是從背鉆對(duì)內(nèi)層帶狀線過(guò)孔或不背鉆與不同殘根值時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)阻抗以及插損兩個(gè)方面的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)板

試驗(yàn)采用12層電性測(cè)試板設(shè)計(jì)損耗及阻抗模塊，選用低介質(zhì)損耗等級(jí)材料Synamic6GX，設(shè)計(jì)2層背鉆（走線L3→測(cè)量L1層與走線L11→測(cè)量L12層）來(lái)對(duì)比不同殘根值與阻抗和插入損耗之間的關(guān)系。試驗(yàn)板結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），測(cè)試產(chǎn)品阻抗、內(nèi)層帶狀線（Stripline）的損耗數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)板背鉆設(shè)計(jì)示意圖

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所使用的板材選用生益Synamic6GX，背鉆設(shè)計(jì)的兩個(gè)層次（L3&L11）對(duì)應(yīng)殘根值長(zhǎng)度信息如表1所示。測(cè)試設(shè)備為四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C。L3層信號(hào)層設(shè)計(jì)在L1層測(cè)試，因此從L12層進(jìn)行背鉆；L11層信號(hào)層設(shè)計(jì)在L12層測(cè)試，因此從L1層進(jìn)行背鉆。在成品測(cè)試時(shí)依據(jù)順序依次測(cè)試不同殘根值時(shí)的阻抗及損耗數(shù)據(jù)。

表1 殘根值長(zhǎng)度

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)殘根值情況

如圖2所示，實(shí)測(cè)殘根值與設(shè)計(jì)目標(biāo)殘根值基本上都在0～0.075 mm內(nèi)，符合要求。

3.2 不同殘根值對(duì)阻抗的影響

如圖3、圖4所示測(cè)試得到不同殘根值時(shí)采用VNA測(cè)得的阻抗值大小情況，可以很明顯看出在0.34～0.38 ns的范圍內(nèi)有阻抗值下降的情況，而且下降程度隨著殘根值的增加而加大。另外可以發(fā)現(xiàn)下降的位置也是不固定的，與殘根大小也有一定的關(guān)系。從表2可以看出：L3層Stub值凹陷的最小阻抗處的凹陷點(diǎn)時(shí)間從0.354 ns逐漸轉(zhuǎn)移到0.378 ns，L11層Stub值凹陷最小阻抗處的凹陷點(diǎn)時(shí)間從0.342 ns逐漸轉(zhuǎn)移到0.378 ns。

表2 阻值下降最低點(diǎn)時(shí)間及對(duì)應(yīng)阻值

圖3 Synamic6GX L3層不同Stub值時(shí)阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 Synamic6GX L11層不同Stub值時(shí)阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)

常規(guī)阻值測(cè)量方面，取值范圍不管是10%～90%還是20%～80% 均為中間的平滑區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)阻抗并不受0.34～0.38 ns阻值下降的影響，因此常規(guī)手段監(jiān)控的阻抗測(cè)量輸出結(jié)果并沒有影響（如圖5所示）。

圖5 不同Stub值凹陷最大處阻抗值數(shù)據(jù)

造成過(guò)孔阻抗減小現(xiàn)象的主要原因是隨著Stub的增長(zhǎng)，寄生電容變大，信號(hào)過(guò)孔傳播時(shí)就好比高速信號(hào)的容性負(fù)載，造成信號(hào)在過(guò)孔處阻值變小，而且寄生電容也造成了信號(hào)的延遲和上升沿。其寄生電容的計(jì)算方法如式（2）[1][2]所示。

其中：C表示過(guò)孔的寄生電容，εr表示PCB的相對(duì)介電常數(shù)，T表示PCB的厚度（過(guò)孔深度），D1和D2分別表示差分阻抗線所在層過(guò)孔焊環(huán)及相鄰層反焊環(huán)的直徑[3]。上式中介電常數(shù)εr、差分線為同層次同設(shè)計(jì)的焊盤直徑D1和D2均可看作是固定值，所以過(guò)孔的寄生電容C會(huì)隨著過(guò)孔深度T值增加而變大。當(dāng)Stub為過(guò)孔未背鉆時(shí)的深度時(shí),即PCB厚度時(shí)，此時(shí)寄生電容最大，對(duì)交流信號(hào)的阻礙最小，此時(shí)過(guò)孔阻抗值最小，同時(shí)的電容增加也使得信號(hào)變緩和時(shí)延的發(fā)生[3][4]。隨著Stub長(zhǎng)度的減小，過(guò)孔處連接的PCB厚度也相應(yīng)減小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)孔寄生電容將會(huì)逐漸減小，過(guò)孔處的阻抗值隨之而增加。

3.2 不同殘根值對(duì)插入損耗的影響

對(duì)兩組材料測(cè)試254 mm（10 in ）帶狀線（L3+L11）的損耗數(shù)據(jù)（含夾具和過(guò)孔），測(cè)試插入損耗的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 Synamic6GX L3層不同Stub值測(cè)量損耗數(shù)據(jù)

圖7 Synamic6GX L11層不同Stub值測(cè)量損耗數(shù)據(jù)

（1）可以看到L3層的Stub：0.25 mm-0.51 mm-0.76 mm-1.14 mm插損值之間的差異整體隨著stub增大而增加但增幅并不明顯（從0.25 mm到1.14 mm變化最大值@8 GHz時(shí)8.2%）；

（2）L11層設(shè)計(jì)的Stub值：0.13 mm-0.38 mm-0.64 mm-1.27 mm也是類似情況，12GHz前Stub值從0.13 mm-1.27 mm的增幅最大值@8 GHz 4.2%，但是在12 GHz后Stub值1.27 mm的損耗明顯加大，在20 GHz時(shí)超出0.13 mm設(shè)計(jì)達(dá)58.7%；從以上測(cè)試結(jié)果可以得出：不同Stub對(duì)于損耗結(jié)果有一定的影響，但是Stub值在1.14 mm范圍內(nèi)時(shí)20 GHz的測(cè)量范圍內(nèi)stub值增加對(duì)插損結(jié)果影響在10%以內(nèi)。Stub值超過(guò)到達(dá)1.22 mm以上時(shí)在12 GHz頻率開始就會(huì)產(chǎn)生明顯的插損變大的情況，而12 GHz之前同樣差異不明顯（10%內(nèi)）。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高速材料Synamic6GX設(shè)計(jì)電性測(cè)試板，在兩個(gè)層次分別測(cè)量殘根值變化對(duì)阻抗及損耗的影響，得出如下結(jié)論。

（1）殘根值大小對(duì)阻抗測(cè)量時(shí)的阻值測(cè)量（范圍10%～90%或20%～80%）不會(huì)有影響；

（2）殘根值大小會(huì)影響過(guò)孔處的阻抗，且值越大過(guò)孔處的阻抗越小；

（3）殘根值大小影響信號(hào)的上升沿和時(shí)延，且值越大時(shí)延越明顯；

（4）殘根值大小在1.14 mm以內(nèi)對(duì)損耗幾乎無(wú)影響，在1.22 mm以上時(shí)在12 GHz就會(huì)產(chǎn)生明顯的損耗增加的問(wèn)題。