如何处理令人生畏的悬着的过孔Dreaded Danglers,第二部分

在本系列专栏文章的第一部分中,我详细解释了悬着的过孔桩会使得通过互连的信号失真,并降低信号的可用带宽。这是由于过孔桩会表现的像传输线天线,并且具有该结构四分之一波长的谐振频率。 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。在本月的文章中,我将研究所有能缓解这个问题的解决方案。

1.  背钻过孔桩

背钻是去除电镀通孔(PTH)多余的过孔桩的工艺。 背钻是制造后工艺,其背钻的孔的直径大于原始的PTH。 该技术通常用于替代盲埋孔技术,在非常厚的高速背板设计中去除连接器过孔桩的多余部分。 最先进的电路板制造商能够背钻到信号层8mil以内,因此多余过孔桩还是会剩下一小部分。

高速,SERDES,基于串行链路的背板通常基板很厚。 这是由于系统架构和背板到卡的互连对其要求,如压合连接器。 在较厚的PCB上,背钻过孔桩是一种常见的做法,可以在比特率大于3Gbps(1.5GHz)时将过孔桩的长度减到最小。 然而,在传输速率大于10Gbps(5GHz)时,单独背钻不足以减少抖动和误码率(BER)。

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图1:有过孔谐振的高速差分信号(HyperLynx模拟)。

图1显示了过长的过孔桩对高速差分信号的影响。 左侧的是使用了有损传输线的伪随机比特流(PRBS)来模拟的差分信号;注意眼图的开口。右边则使用了过孔建模,使得能够显示过孔的寄生效应并突出过孔谐振带来的影响。 高频谐波衰减,信号上升时间减慢,信号失真,带宽减少并且眼图开口缩小。

过孔可以表现为电容和电感不连续。 这些寄生效应会造成信号在通过过孔时劣化。 在高频率和厚背板底材时,必须要解决这些问题。

背钻通常需要专门的设备,并且需要精确地定位过孔再进行背钻。 因此,背钻工艺,特别是双面背钻,由于钻头损坏和产量问题造成其价格非常昂贵,并且非常耗时。

2. 盲埋孔

盲埋孔将靠近外层的微带线层连接到一个或多个内部带状线层,在信号层之间还有中心参考平面,从而提供非常低的电感返回路径。 孔是使用激光钻的,通常直径在3-4mil。 盲埋孔表现为类似于集总电容器,基本没有电感。 并且因为微过孔孔径非常小,所以其电容比标准PTH过孔小。

另一方面,盲埋孔只能用于内部带状线层之间的连接,并且还是有一小段过孔桩。其通常的8mil直径具有比标准PTH更大的电容,但仍然有不能从顶部或底部进行背钻处理的一截过孔桩。 它们不适合用于高频设计。

3. 移除无用焊盘

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图2:右图中移除了无用过孔焊盘

无用焊盘是不连接到该层上的任何信号和平面的内层焊盘,如图2所示。关于无用焊盘对PCB可靠性的影响目前还存在争议,尤其是在高纵横比的PTH过孔上受到PTH镀层疲劳的影响。 主要原因是由于热膨胀系数(CTE)应力,无用焊盘能够帮助控制Z轴方向上的膨胀,提高制造商的工艺和产量。 当没有焊盘时,由于预浸料填充的间隙,还有可能会造成层短路。 然而,移除了无用的过孔焊盘能将过孔的电容减

小大约一半,并且增加了阻抗。 所以从信号完整性的角度来看,这个措施是有效的。 但是在实施之前,一定要与制造商沟通。

4. 增加反焊盘直径

如果你遵循IPC标准,那么反焊盘应该比过孔焊盘的直径大20mil。 然而,这在使用细间距BGA的密集封装多层PCB中并不总是能实施的,实际上能实施的情况非常罕见。 对于8mil的过孔,其焊盘通常为16mil,而反焊盘为26mil。 这使得焊盘周围有9mil间隙,导致层到过孔的电容高。 增加反焊盘的尺寸,也减少了电容,但同时,也可能会对参考平面造成一定影响。这会增加了DC压降并且减少同时开关设备的可用瞬时电流量,这对于功率完整性来说是非常不利的。

另一种可能不太实际的替代方案是将在过孔桩部分的参考平面的间隙加大来减小电容。 然而,这必须通过在PCB工具中手动操作实现,并且将在过孔桩部分留下具有宽孔的参考平面,从而减弱了基准层的效果。

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图3:长椭圆形反焊盘降低过孔电容。

所以如果无法增加反焊盘的大小,那么可以采用长椭圆形的反焊盘作为妥协。 长椭圆形的反焊盘仍然能显着减小寄生电容。 但同时,它允许回路电流直接在过孔之间流动,使得回路电感减少并保持参考平面的连续性。 大多数PCB设计工具允许在内部层上定义长椭圆形的反焊盘。

在存在差分对的情况下,可以在对(图3)的周围放置长椭圆形反焊盘,以减小过孔到参考平面的电容。 地线引脚过孔应位于长椭圆形反焊盘的任一端,以减少回路电感。 使用连接器针脚阵列时,长椭圆形间隙还能保留参考平面中电流返回路径的连续性。

5.端接过孔桩

过孔桩的效果像未端接的传输线。如果端接元件被放置在过孔桩的底端,则过孔桩的反射会最大程度减少。 阻抗端接元件包括在过孔桩和接地层之间的一个或多个电阻器,电容器和电感器。 能通过模拟来确定最合适的解决方案。 阻抗端接元件可以做在PCB内部,或者安装到PCB表面。 例如,可以放置与过孔的特性阻抗(50ohms)相等的电阻器到单端信号到地或功率或跨越差分对的100欧姆终端电阻器。

6.降低周围材料的介电常数

通过在互连附近放置非PTH来降低过孔周围材料的介电常数是由IBM公司的Bhyrav Mutnury及其同事提出的解决方案。 非PTH中的空气的介电常数是1,而FR-4的大约是4。这能够提高过孔桩的谐振频率。通过提高过孔桩的谐振频率到超过信号的频率后,过孔桩的衰减效应会得到充分缓解。 但是,其会影响参考平面,不是一个好的高速设计方法。

7. 使用有损材料镀过孔内壁 

低导电性的材料来电镀过孔内壁来抑制过孔桩的谐振。 例如,可以使用8×10^-6 S/m的电导率的锡来镀过孔,而铜的电导率大约是6×10^-7 S/m。 因此,与铜相比,锡是“有损”介质。 用导电性较低材料(例如锡)来电镀过孔内壁降低了过孔的Q因子。 电阻与用于电镀过孔材料的电导率成反比,因此电导率较低的材料有较低的Q因子,能够减小过孔的谐振。

总之,悬挂着的过孔桩会扭曲高频信号,并降低信号的可用带宽。 由于过孔电容与孔的总尺寸和反焊盘与参考平面的间隙成正比,所以过孔尺寸应尽可能小,并尽可能加大间隙。 长椭圆形反焊盘还可以减小电容并保持参考平面的连续性。 在提出的能够缓解这个问题的七个解决方案中,使用盲埋孔和在背板应用中背钻过孔桩并结合使用长椭圆形反焊盘是高速设计最好的和最经济的解决方案。

需要记住的要点

•背钻通常需要专门的设备,而且价格昂贵。

•盲埋孔表现为类似于具有很小电感的集总电容。并且因为微过孔非常小,所以其具有比标准PTH过孔更小的电容。

•去除无用过孔焊盘减少了过孔的电容,从而增加了阻抗。

•增加反焊盘尺寸能减少电容,但同时,可能会影响参考平面的连续性,从而增大直流压降并减少可用的瞬时电流量。

•长椭圆形的反焊盘仍然能显着减少寄生电容,但同时允许返回电流直接在过孔之间流动,以减少环路电感并保持参考平面的连续性。

•在过孔桩底端防止端接元件可减少信号反射。

•降低过孔周围材料的介电常数,在过孔内壁镀锡也能改善,但不是实用的解决方案。

References

 

1. Barry Olney’s Beyond Design column, How to Handle Danglers - Part 1.

2. “PCB Vias, an Overview,” by Bert Simon-vich.

3. Dell products patent, Stuart Allen Berke.

4. IBM Corporation patent, Bhyrav Mutnury.

5. “Via Optimization Techniques for High-speed Channel Designs,” Altera.

6. High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic, Howard Johnson, Martin Graham.

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。要联系Barry,请点击这里