信號完整性分析之過孔對信號傳輸的影響

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯網

過孔對信號傳輸的影響

一、過孔的基本概念

過孔(via)是多層PCB 的重要組成部分之一,鉆孔的費用通常占PCB 制板費用的30%到40%。簡單的說來,PCB 上的每一個孔都可以稱之為過孔。從作用上看,過孔可以分成兩類:一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位。如果從工藝制程上來說,這些過孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內層,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重疊做好幾個內層.

第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用于實現內部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實現,成本較低,所以絕大部分印刷電路板均使用它,而不用

另外兩種過孔。以下所說的過孔,沒有特殊說明的,均作為通孔考慮。

從設計的角度來看,一個過孔主要由兩個部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然,在高速,高密度的PCB

設計時,設計者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。但孔尺寸的減小同時帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術的限制:孔越小,鉆孔需花費的時間越長,也越容易偏離中心位置;且當孔的深度超過鉆孔

直徑的6 倍時,就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如,如果一塊正常的6 層PCB 板的厚度(通孔深度)為50Mil,那么,一般條件下PCB 廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達到8Mil。隨

著激光鉆孔技術的發(fā)展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mils 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結構)設計中經常使用到微孔,微孔技術可以允許過孔

直接打在焊盤上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線空間。過孔在傳輸線上表現為阻抗不連續(xù)的斷點,會造成信號的反射。一般過孔的等效阻抗比

傳輸線低12%左右,比如50 歐姆的傳輸線在經過過孔時阻抗會減小6 歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關,不是絕對減小)。但過孔因為阻抗不連續(xù)而造成的反射其實是微乎其微

的,其反射系數僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過孔產生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

二、過孔的寄生電容和電感

過孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB 板的厚度為T,板基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間,降低了電路的速度。舉例來說,對于一塊厚度為50Mil 的PCB 板,如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF 這部分電容引起的上升時間變化量大致為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

從這些數值可以看出,盡管單個過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過孔進行層間的切換,就會用到多個過孔,設計時就要慎重考慮。

實際設計中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離(Anti-pad)或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數字電路的設計中,過孔的寄生電

感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經驗公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電

感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L 指過孔的電感,h 是過孔的長度,d 是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用

上面的例子,可以計算出過孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 如果信號的上升時間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

三、如何使用過孔

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設計中,看似簡單的過

孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,

在設計中可以盡量做到:

1.從成本和信號質量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔,比如對于電源或地線的過孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對于信號走線,則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小,相應的成本也會增加。

2.上面討論的兩個公式可以得出,使用較薄的PCB 板有利于減小過孔的兩種寄生參數。

3.PCB 板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

4.電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好?？梢钥紤]并聯打多個過孔,以減少等效電感。

5.在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地過孔。

6.對于密度較高的高速PCB 板,可以考慮使用微型過孔。

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信號完整性培訓課程

培訓內容:
Part 1 信號完整性和電源完整性理論

第一課時:《高速互連PCB基本知識-1》
主要講解:傳輸線的基本理論。信號完整性的一些主要影響因素、反射的產生及影響、阻抗匹配對信號完整性的影響、網絡拓撲對信號完整性的影響。

第二課時:《高速互連PCB基本知識-2》
主要講解:串擾和非理想回路對信號完整性的影響。減小串擾的方法、串擾系數、非理想互聯:傳輸損耗、連接結構、芯片封裝等,非理想回路:參考平面不連續(xù)。

第三課時:《高速互連PCB基本知識-3》
主要講解:電源完整性理論。電源分配系統(tǒng)、電源噪聲、同步開關噪聲、電源阻抗設計法、電源去耦。目標阻抗計算法、去耦電容設計及計算選擇。合理化電容安裝。

第四課時:《高速互連PCB基本知識-4》
主要講解:數字時序及輻射規(guī)范(EMC)。共同時鐘時序計算、源同步時序計算、PLL嵌入試時鐘、碼間干擾、EMC輻射理論及EMC設計。

Part 2 信號及電源仿真流程
仿真流程可根據需要講解不同的軟件流程。包括:SigXplorer,Hyperlynx,Sigrity,Hspice,ADS,SIWAVE。

第一課時:《 Sigrity-DDR SSO》
主要講解:使用sigrity的DDR SSO模塊進行DDRx模塊的仿真流程。包括:層疊分配,電源分配,模型匹配,仿真設置等。DDRx屬于源同步時序,DDR3的自動對其技術講解。

第二課時:《POWER DC直流壓降分析》
主要講解:使用sigrity的POWER DC模塊進行的電源仿真流程。包括:直流壓降分析,交流阻抗分析,電源目標阻抗計算和設置。

第三課時:《電源去耦電容優(yōu)化方案》

主要講解:使用sigrity的OptimizePI模塊進行的電源去耦電源優(yōu)化方案仿真。包括:電容容值計算,電容數量評估及位置評估。

第四課時:《電源完整性仿真-SIwave》

主要講解:使用SIwave做電源完整性仿真流程。包括:直流壓降分析,交流阻抗分析,平面諧振分析。

Part 3 高速串行總線仿真及EMC分析

第一課時:《 POWER SI-S參數及SIwave-S參數提取》

主要講解:使用SIwave和sigrity的POWER SI模塊對高速串行總線S參數提取。

第二課時:《SestemSI-系統(tǒng)級高速串行總線仿真流程》

主要講解:使用SestemSI做系統(tǒng)級高速鏈路仿真流程,怎么搭建仿真鏈路、不同速率信號的電平判斷標準。(注:要做系統(tǒng)仿真需要使用HFSS對傳輸線,過孔,連接器建模)。

第三課時:《 sigrity16》
主要講解:主要講解:使用3D-EM做EMC的仿真流程。
低速并行總線仿真、高速鏈路仿真的一些建模......

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