過孔特性阻抗分析及其對信號質量的影響

莫劍冬, 謝永超, 王建甫

(1.上海航天設備制造總廠，上海，200245;2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

?

試驗與檢測

過孔特性阻抗分析及其對信號質量的影響

莫劍冬1, 謝永超2, 王建甫2

(1.上海航天設備制造總廠，上海，200245;2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

摘要：隨著信息技術的高速發展，越來越多的系統都在使用差分信號進行傳輸，差分特性阻抗的匹配度對差分信號在傳輸鏈路上的傳輸質量有很大的影響。本文主要闡述了過孔處特性阻抗的影響因素及其對差分信號的影響，用來指導連接器的印制板過孔及連接器的設計。

關鍵詞：特性阻抗；印制板；過孔；連接器

1前言

一個高速傳輸鏈路系統主要包含了芯片、子板、連接器、母板，如圖1所示。目前，對于印制板和連接器的阻抗控制已經有了較多的研究，隨著研究的深入和相關工藝的進步，印制板走線和連接器內部的特性阻抗與系統的匹配度越來越好。但是，對于連接器的印制板封裝處的阻抗匹配性關注較少，而此處又極易造成阻抗不匹配。隨著系統信號傳輸速率的提高，這種不匹配給信號質量帶來的影響越來越明顯，越來越嚴重。

2定義

為了讓大家更好的理解本文，首先簡要介紹本文中涉及到的幾個術語。

2.1　差分特性阻抗

在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。

差分對對差分信號的阻抗，即差分特性阻抗。如果兩條信號傳輸線離得足夠遠，那么，兩條傳輸線可近似于無耦合，無耦合時的差分特性阻抗Zdiff=2Z0。其中，Z0為單端信號的特性阻抗；當把兩條信號傳輸線拉的越來越近時，它們的邊緣電場和磁場就會相互覆蓋，之間的耦合程度也會越來越強，差分特性阻抗也會逐漸減小。

2.2　印制板過孔

為了讓印制板的各層之間或者元器件和走線之間實現電氣連接，需要在印制板上鉆一些具有導電特性的小孔，這就稱為過孔。它包括筒狀孔壁(Barrel)、焊盤(pad)和反焊盤(anti-pad)。過孔的筒孔壁是為了保證印制板各層之間的電氣連接而對鉆孔進行填充的導電材料；焊盤的作用把孔壁和元件或者走線相連；反焊盤就是指過孔焊盤和周圍不需要進行連接的金屬之間的間隔。印制板過孔剖面示意圖如圖2所示。

3過孔特性阻抗的影響因素

3.1　過孔間距對差分特性阻抗的影響

可將傳輸差分信號的一對過孔理解為平行的雙圓桿型傳輸模型。

差分特性阻抗計算公式：

(3.1)

式中，

Z0表示差分特性阻抗，單位為Ω；

S表示兩圓桿的中心距離；

d表示圓桿的直徑；

εr圓桿周圍材料的介電常數。

由公式(3.1)可知，在平行的雙圓桿型傳輸模型中，在其它因素不變的情況下，過孔間的距離S和差分特性成正比，即當增大孔間距時，差分特性阻抗變大，反之，差分特性阻抗減小。

3.2　鉆孔尺寸和焊盤尺寸對差分特性阻抗的影響

鉆孔和焊盤外形為圓柱形，轉化物理模型，可以等效為平行的雙圓桿傳輸模型。平行的雙圓桿傳輸模型的差分特性阻抗計算公式見公式(3.1)。

由公式可知，在平行的雙圓桿型傳輸模型中，差分特性阻抗值和圓桿直徑大小成反比，即減小鉆孔或焊盤直徑可增大差分特性阻抗值，反之，可減小差分特性阻抗值。

3.3　反焊盤尺寸對差分特性阻抗的影響

反焊盤是指的是負片中銅片與焊盤的距離。

反焊盤處的橫截面可以理解為同軸線模型的橫截面，如圖4所示。

同軸線特性阻抗的計算公式如(3.2)所示。其中εr是內外導體間介質的介電常數，D為外導體內徑，d為內導體外徑。

(3.2)

從上面的公式可以得出以下結論：

當其它條件不變時，外導體內徑D和特性阻抗成正比，即當D增大時，特性阻抗也隨之增大，反之，特性阻抗值減小。即理論上，反焊盤直徑和特性阻抗成正比。

3.4　背鉆對特性阻抗的影響

在傳輸線中常常會出現分支，如果分支很短，就稱為短樁。當信號離開驅動器后，遇到了分支點，這時信號遇到的是兩段傳輸線的并聯阻抗，此阻抗較低，所以信號負反射回到源端，另一部分信號將沿兩個分支繼續傳播。當樁線上的信號到達樁線末端時，它將反射回分支點，再從分支點反射到樁線末端，就這樣在樁線中來回震蕩。同時，每當與分支點發生交互時，樁線中的部分信號都將回到源端和遠端。每個交界處都是一個反射點。

過孔處也有可能存在短樁效應，為了減小短樁，避免由短樁造成的阻抗低點，將過孔處多余的金屬焊盤和金屬孔壁鉆掉，我們稱之為背鉆。背鉆前后過孔狀態如圖5所示。

3.5　板材對差分特性阻抗的影響

由公式(3.1)可知，在平行的雙圓桿型傳輸模型中，在其它因素不變的情況下，過孔周圍的介質的介電常數 和差分特性成反比，即當增大介質的介電常數 時，差分特性阻抗變小，反之，差分特性阻抗增大。

4過孔處特性阻抗對信號質量的影響

第3章分析了不同因素對過孔處特性阻抗的影響，下面將分析過孔處特性阻抗匹配性對短鏈路和長鏈路的插入損耗、回波損耗和眼圖的影響。

4.1　數據分析工具

這里所采用的數據分析工具是HFSS和ADS(Advanced Design System)。

4.2過孔處差分特性阻抗匹配性對短鏈路信號質量的影響

圖6為HFSS中一個差分對過孔的模型，鏈路長度僅為過孔長度，長度為3mm。通過改變焊盤的大小得到兩種不同的模型，通過仿真軟件達到兩個模型的特性阻抗、插入損耗、回波損耗和眼圖。通過對比，分析過孔處特性阻抗匹配度對信號質量的影響。

圖7為兩種焊盤尺寸對應的差分特性阻抗值，實線為模型A，特性阻抗最低值為97Ω；虛線為模型B，特性阻抗最低值為72.4Ω，兩者相差24.6Ω。端接額定特性阻抗為100Ω，所以，模型A的阻抗匹配度要優于模型B的。

圖8為模型A(實線)和模型B(虛線)的插入損耗。從圖中可以看出，阻抗匹配度好的模型A的插入損耗優于模型B的。

圖9為模型A(實線)和模型B(虛線)的回波損耗。從圖中可以看出，阻抗匹配度好的模型A的差分回波損耗明顯優于模型B的。

該鏈路僅有3mm長，損耗很小，所以眼圖沒有對比的意義。

4.3　過孔處差分特性阻抗匹配度對長鏈路信號質量的影響

圖10為長鏈路示意圖，鏈路有4處連接器封裝，即有4處過孔，鏈路總長度為300mm。

我們分別把子板差分走線、母板差分走線、連接器和印制板過孔處的S參數模型從HFSS中提取出來，把各個S參數模型導入ADS軟件中，進行模型系統級聯仿真。

級聯仿真中，子板、母板和連接器的S參數不變，僅改變過孔的S參數模型，我們將使用4.2中的模型A過孔的系統稱為系統A，將使用4.2中的模型B過孔的系統稱為系統B。我們將從系統級聯仿真得出的插入損耗、回波損耗和傳輸眼圖來對比分析系統A和系統B的優劣。

ADS系統級聯原理圖如圖11所示。

圖12和圖13為系統A和系統B的差分插入損耗仿真數據。

為了直觀的對比系統A和系統B的差分插入損耗的優劣，我們按頻段進行分析，對比每個頻段的最差值，見表7。通過表7的對比分析，8個頻率段內，系統A全部優于系統B。綜合分析，系統A的差分插入損耗數據優于系統B的。

圖14和圖15分別為系統A和系統B的差分回波損耗仿真數據。

為了直觀的對比系統A和系統B的差分回波損耗的優劣，我們按頻段進行分析，對比每個頻段的最差值，見表8。通過表8的對比分析，8個頻率段內，系統A全部優于系統B。綜合分析，系統A的差分回波損耗數據優于系統B的。

圖16和圖17分別為系統A和系統B的差分傳輸眼圖仿真數據，傳輸速率設置為3.125Gbps，上升時間為100ps。

從圖16和圖17可以看出，模型A的系統仿真眼寬為296ps、眼高為0.6V，模型B的系統仿真眼圖的眼寬為267.2ps、眼高為0.496V，對比可知，模型A系統的眼寬和眼高均大于系統B模型的。

綜合差分插入損耗、差分回波損耗和傳輸眼圖的仿真結果可知，系統A的差分性能指標均優于系統B的，由此可知在其它條件不變的情況下，過孔阻抗匹配度越好，信號質量越好。

5總結

本文主要講述了影響過孔特性阻抗的幾個因素，每個因素對特性阻抗影響的趨勢，以及過孔處差分特性阻抗對鏈路信號完整性的影響。雖然過孔在傳輸鏈路中占很短的一段，但其對信號質量卻有不容忽視的影響。隨著信號速率的提高，鏈路中任何一個環節都不可小視，均需進行信號完整性仿真，進行優化設計。希望在以后進行高速差分連接器和測試印制板設計時能夠提供一些幫助。

參考文獻：

[1]李玉山，李麗平等譯，Eric Bogatin 著.信號完整性分析.

收稿日期：2015-02-16

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.008

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0032-05