改善通孔设计

作者:Rick Rabinovich,美国卡拉巴萨斯Ixia公司信号完整性硬件架构师

虽然仿真显示产品设计能完美运行,但是产品在现场由于信号完整性问题而出现故障的情况并不少见,究其原因是,制造出来的产品与设计定义之间存在差异。为避免此类问题,信号完整性工程师需要理解实际交付的是什么产品,并利用仿真验证频域和时域性能是否满足设计要求。仿真可用来解答设计的通孔和制造的通孔在劣化印刷电路板(PCB)的时域和频域性能方面的区别。

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CAD solid via

via electric field

大部分差分电场沿通孔外表面的分布,内场强度很低。

为了把复杂性降到可控水平,电子产品几乎总是基于一系列简化的假设方案进行初始设计,例如其几何模型符合CAD系统中定义的完美形状。制造过程当然无法构建这样的完美形状,至少无法以客户接受的价格来实现,同时产品仍需要满足性能要求。电子学理论没有太大帮助,因为它只能解决CAD系统中定义的完美世界。物理试验可解决该问题,但必须付出非常高的成本,而且需要一定的研制周期才能根据不断变化的规范制造出产品。另一方面,仿真是一种实用的解决方案,既能模拟完美世界,又能模拟不可计数的更逼真的情景,以确定设计性能是否满足预期。

例如,PCB通孔可用于连接信号层之间的迹线,其在计算机辅助设计(CAD)系统中几乎总被定义为实心圆柱体。当仿真PCB时,仿真模型通常符合设计定义。然而在现实世界中,PCB制造商制作通孔时通常在PCB上钻孔,再用铜给钻孔进行电镀,使铜厚度达到1至2密尔。孔的中心可能是空的,或者包含填充膏、铜屑或这些物质的混合物。这就带来了一个显著的信号完整性问题⸺设计定义与制造工艺之间的矛盾是否对产品性能有负面影响?

solid via
仿真1 实心通孔的频域和时域性能
air-filled via
仿真2 空气填充通孔的频域和时域性能
past-filled via
仿真3 膏填充通孔的频域和时域性能
enlarged diameter via
仿真4 加大直径通孔的频域和时域性能

工程师通常并不担心通孔是实心圆柱体还是中空筒形,原因在于以下假设:无论导体的几何结构如何,集肤效应都会导致高频电流在导体外表面流动。工程师可利用集肤深度方程式对导体表面到导体中心的电流密度减少情况进行量化。这个方程式显示,频率为500MHz时,99%的电流在距外表面不到0.6密耳处流动。这远低于大部分电路板制造工艺规定的最少1密耳的镀铜层厚度。这是否意味着具有中空筒形通孔的PCB与具有实心圆柱通孔的PCB的性能相同?

事实上,PCB制造商经常使用直径比规定成品通孔尺寸要大1至3密耳的钻头制作通孔,这就使问题变得更加复杂化。随后,制造商在孔内壁镀上1至2密耳的导电材料,使内部保持中空或者用非导电材料进行填充。由于电镀工艺的缺陷,有些导电材料镀层残渣可能还留在孔中。例如,规定为10密耳的通孔,将会得到外直径为11至13密耳,内直径为10密耳的空筒。

“无论通孔是中空的还是填充铜或填充膏状物,只要外壁直径保持不变,频域时域性能就保持不变。”

合理的假设是,直径更大的空筒外壁与相邻电源层边缘的距离减小,因此会增加筒与相邻电源层之间的寄生电容。信号退化量与通孔结构和周围区域的特性有关,例如电源层的数量和距离,因此无法用通用的数字进行量化或者通过经验法则进行定义。阻抗衰减会导致回波损耗增大,从而减小通道带宽,增加上升时间并导致眼图闭合。

Ixia的工程师利用ANSYS HFSS仿真具有四种不同通孔结构的PCB:

  • 仿真1:10密耳外直径的实心圆柱体,符合典型的设计规范
  • 仿真2:10密耳外直径、8密耳内直径的筒,内部充满空气
  • 仿真3:10密耳外直径、8密耳内直径的筒,填有膏状物
  • 仿真4:12密耳外直径、10密耳内直径筒,内部充满空气。当采用仿真1中指定的设计时,这代表了典型的制造通孔。

Simulations 1, 2 and 3 deliver similar results in terms of insertion loss

仿真1、2和3在插入损耗、回波损耗和差分阻抗方面结果相似,符合集肤效应理论的预期。仿真4具有较高的插入损耗、较低的回波损耗和差分阻抗。.

四个仿真都在12.89GHz下进行分析,这是25Gb/s以太网差分信号的奈奎斯特频率。这些实例使用多层PCB结构,第26层为差分带状线对,夹在第25和第27层两个接地层之间。由集总端口构成的差分端口P1位于焊盘与PCB顶层接地层之间。焊盘处在通孔(viain-pad)顶部。第二个差分端口是一个位于第26层差分带状线与相邻接地层之间的波端口。

表格中显示的仿真结果表明,仿真1、2和3在插入损耗、回波损耗和差分阻抗方面的结果相似,符合集肤效应理论的预期。仿真1、2和3还显示出,在其最低点92.535至92.708的范围内存在相似的差分阻抗。另一方面,仿真4具有较高的插入损耗、较低的回波损耗和差分阻抗,原因是筒壁与电源层边缘之间的间距减少造成寄生电容增大。考虑到仿真4最能体现实际制造实践,这些结果尤其值得注意。

总之,无论通孔是中空的还是填充铜或填充膏状物,只要外壁直径保持不变,频域和时域性能就保持不变。这是因为存在集肤效应,99%的电流会流经筒的外表面。然而,信号完整性工程师需要了解,通常情况下制造出的通孔直径比指定直径要大1至3密尔,这可能会导致显著的性能劣化。信号完整性工程师需要咨询PCB制造商,以了解其制造过程。随后,工程师可以在制作电路板之前,利用仿真从信号完整性角度研究制造出的设计产品的性能。

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