如何处理令人生畏的悬挂着的过孔Dreaded Danglers,第一部分

悬挂着的过孔Dangling via桩可以使经过互连系统的信号失真,并且降低信号的可用带宽。过孔桩表现的像传输线天线,并且有由该结构四分之一

波长决定的谐振频率 。在这个频率下,传输的信号被大幅衰减,最多达3dB。对于低频率信号来说,这不是太大的问题,因为信号频率大大低于过孔桩的谐振频率。

然而,对于越来越多的大于1GHz的普遍要求性能规格的高频信号来说,这个问题变得需要解决,

因为信号传输频率与过孔桩的谐振频率比较接近。基频奇数倍的谐波也会高度衰减。

常规的解决这个问题的方法是通过背钻或控制深度钻过孔,将多余的过孔桩去除,使得过孔桩的长度减少或者完全去除(图1)。

如果相对于信号上升时间来看孔很短,那么大部分情况下它会表现为多余的并联电容。整个过孔的长度都会构成电容,而实际信号电流流过的部分才会产生电感。然而,长过孔桩会产生加剧其电容

效果的共振。我需要指出的是如果使用整个PTH过孔长度,也就是信号从一端流入另一端流出的话是没有问题的。

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图1:未端接的过孔桩(左)和背钻过的过孔桩(右)

当过孔桩的长度等于信号频率的波长的四分之一时,信号会从线路到桩的端部行进,然后在开路的端点反弹回线路中,总共行程半个波长。这半个波长的行程有使相位偏移180度的效果,在过孔桩中产生共振。当这个经过反射的移相信号到达最大值的时候信号达到最小值,反之亦然。

离散信号的奈奎斯特频率被定义为信号的采样率的一半,并且将在此频率时有强频率分量。此外,该信号可在频率高于奈奎斯特频率,通常最高5次谐波时具有很强的功率谱谐波分量。过孔桩的谐振频率与过孔周围的材料的介电常数成反比,而波长长度是过孔未使用部分的4倍。此关系由下式给出:

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其中T是信号在桩中传播的时间(FR4大概在180ps/in),l是过孔桩的的长度,Er是介电常数,c是光速,F是过孔桩的谐振频率。

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图2:差分100 Ω过孔桩(红)对比经过背钻的过孔桩(蓝)

当谐振频率大约与奈奎斯特频率相等时,通过过孔的传输信号的一个或多个频率分量会被强烈衰减,导致过孔的阻抗下降。虽然在大部分设计中其似乎高到不需要考虑,但起效果实际上从1GHz就开始显现,在4-5GHz时则是更加明显的问题。这种衰减限制带宽。图2是标准PTH过孔与经过背钻的过孔桩的电阻在时域反射计(TDR)上的显示。在高速底板的情况下,由于对于250密耳的基板,奈奎斯特频率可能是在5GHz,这种效果会更加显著,并且这种影响在1GHz时就能发现。

如上所述,过孔可以表现为容性或感性的不连续性。这些寄生信号会劣化通过过孔的信号。一种方法是将过孔按照每个部分与对应层和其他的相互作用来分割成小的分离电容电阻元件。这种方法很难得到准确的结果,因为实际上是边缘场效应占主导地位。并且,匹配分离元件的重叠边缘场是很困难的。

图3通过一个简化的LC  p模型(没有无功能焊盘)来显示过孔电容和电感的影响。尽管这个模型只适用于当过孔延迟小于信号上升时间十分之一的情况,其仍然对理解电容和电感的影响非常有效。衰减并且相移的信号(红)显示出过孔桩的劣化作用,而经过背钻的过孔(蓝色)的信号没有失真,振幅更大。

通道不连续性会从多个源头发出,并且每个都需要慎重考虑。一个经常被忽略的源头就是信号过孔。过孔会增加信号抖动,减少信号的眼图开启度,最终造成接收器数据误读。长度是影响过孔电感的主要因素,而其取决于设计的复杂性,层数和总体PCB厚度。PTH过孔的长度跟PCB总体厚度一致。典型的高速PCB设计范围在1.0mm至1.8mm。对于更加复杂的设计,如底板和军工的应用来说,PCB厚度可能会超过3mm。由于高速数字设计的复杂性越来越高,PCB厚度会因为层数的增加而不断增加。为了减轻过孔桩的影响,我们需要做以下几件事情:

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图3:没有经过背钻和经过背钻的过孔桩的由HyperLynx模拟的简化LC圆周率模型

最大程度减少过孔电感

• 去除或缩短过孔桩

• 减少过孔长度

最大程度减少过孔电容

• 缩小焊盘尺寸

• 去除无用焊盘

• 增加反焊盘尺寸

已经有一些可以减轻这个问题的解决方案出现:

• 背钻

• 使用盲孔

• 移除无用焊盘

• 增加反焊盘直径

• 端接过孔桩

• 降低周围材料的介电常数

• 电镀过孔时使用有损材料

 

在下个月的这个系列的第二部分中,我会探讨这些减轻这个问题的解决方案,对包括使过孔对更快的边沿速率更加透明的调节方法也会进行评估。之后会探讨过孔的折衷,因为最近的有害物质限制(RoHS)使得工艺需要更高的温度,产生对可制造性的担忧。最后,会给出通用的指导意见和建议,来说明如何设计更高边沿速率信号传输的最优化的过孔。

需要记住的要点

• 悬垂过孔桩会使穿过互连的信号失真,并且减少了信号的可用带宽。

• 过孔桩会表现得像传输线天线,并且有该结构四分之一波长的谐振频率。

• 如果使用整个PTH过孔长度,也就是信号从一端流入另一端流出的话是没有问题的。

• 离散信号的奈奎斯特频率被定义为信号的采样率的一半。过孔桩的阻抗下降在这个频率。

• 过孔桩的谐振频率与过孔周围的材料的介电常数成反比,而波长长度是过孔未使用部分的4倍。

参考

1. “PCB Vias, An Overview,” by Bert Simonvich

2. Dell products, by Stuart Allen Berke.

3. IBM Corporation, by Bhyrav Mutnury.

4. Altera, Via Optimization Techniques for High-speed Channel Designs.

5.High-Speed Signal Propagation — Advanced Black Magic, by Howard Johnson, Martin Graham

the ICD Stackup Planner and ICD PDN Planner

software, which is available here.

Barry Olney是In-Circuit Design Pty Ltd (ICD) Australia的董事总经理。该公司是PCB设计服务机构,专长是板级仿真。ICD开发了ICD Stackup Planner和ICD PDN Planner软件,可以在这里找到。