盲埋孔对高速PCB板信号特性的影响

廖惜春 屈峰成（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

盲埋孔对高速PCB板信号特性的影响

廖惜春 屈峰成
（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

在高速数字电路中，随着系统工作频率的提高和数字信号上升沿的变陡，多层印制电路板中的盲埋孔带来的阻抗不连续性会引起信号的反射，严重影响到系统的信号特性。因此，盲埋孔的设计正逐渐成为制约高速PCB设计的关键因素之一。本文运用全波电磁仿真软件HFSS，对多层PCB板盲埋孔结构建模仿真，将盲埋孔与导通孔进行比较，分析盲埋孔孔径、焊盘、反焊盘几种关键参数对信号特性的影响。

信号完整性；高速数字电路；盲孔；埋孔

随着大规模、超大规模集成电路越来越多地应用到电路系统中，芯片的集成规模越来越大，体积越来越小，引脚数越来越多，速率越来越高，电路板也朝着多层复杂化的趋势发展。高速多层PCB板中，大多采用导通孔进行层与层之间的连接，但是对于一些非顶层到底层的电气连接就会产生多余的导通孔短柱（Stub）。文献[1]中详细明说了多余短柱对高速多层PCB板传输质量的不利影响，因此对于一些高性能和高要求的高速数字系统，是不能忽略多余短柱带来的影响，而从成本和性能的权衡考虑，采用盲埋孔设计有效地避免了多余短柱效应，提高系统的传输质量。

本文以盲埋孔设计为研究对象，通过建模仿真来分析盲埋孔孔径、焊盘、反焊盘等参数对信号特性如S参数、阻抗连续性的影响，对高速PCB盲埋孔设计具有实际指导作用。

1 盲埋孔的主要参数和性能指标

对于高速数字电路多层PCB板，如果要将高速信号从某一层互连线传输到另一层上的互连线，就需要通过导通孔（Via）来连接，导通孔是用于连接多层 PCB 中不同层走线的电导体[2]。根据 PCB 设计的不同，可以分为贯通孔、盲孔、埋孔，如图1所示。贯通孔（Through Vias）：贯穿整个PCB板，可用于实现层间走线互连或作为元件的安装定位孔。盲孔（Blind Vias）：是将PCB板内层走线与PCB表层走线相连的过孔类型，此孔不穿透整个PCB板。埋孔（Buried Vias）：是只连接PCB板内层之间的走线的过孔类型，从PCB板表面是看不出来的。导通孔不能只简单的看成电气连接，而必须考虑到其对信号完整性的影响[3]。所以理解导通孔的构造设计对高速数字电路性能的影响能够帮助设计者解决好信号完整性问题，进而优化高速数字系统的设计，提高高速信号的传输质量。

图1 导通孔的主要类型

在高速电路中，导通孔的等效电气模型[4][5]可以表示为图2所示，图中C1、C2和L分别表示导通孔的寄生电容和寄生电感。

图2 导通孔的等效电气模型

可以看出，高速电路中的导通孔都会产生对地的寄生电容，寄生电容可以通过下式计算[3]：

其中表示导通孔的寄生电容，为接地面上反焊盘的直径，为导通孔的焊盘直径，为基材的介电常数，为PCB板厚度。在高速数字电路中，导通孔的寄生电容使信号上升时间减慢或变差，降低了电路速度，对于一个特性阻抗为的传输线，导通孔的寄生电容和信号的上升时间的关系可以表示为，

高速信号通过导通孔时，同样也存在寄生电感。高速数字电路中导通孔的寄生电感带来的影响比寄生电容更大，寄生电感可以通过下式计算[3]：

其中，表示导通孔的寄生电感，为导通孔长度，为导通孔直径。而这个寄生电感引起的等效阻抗是不能忽略的，等效阻抗与寄生电感及信号上升时间的关系表示为

从上面一系列公式可以看出，导通孔的电气性能是随着设计参数的不同和变化的。导通孔的孔径、孔长、焊盘、反焊盘的变化，引起高速电路的阻抗不连续性，进而造成信号完整性问题。本文对信号特性的分析主要在频域以S参数中的S11（回波损耗）和S21（插入损耗）作为指标，当插入损耗的衰减程度在小于-3 dB情况下的有效工作带宽[6]来判断分析信号在盲埋孔传输性能的优劣；而对于阻抗不连续性引起的反射，则在时域用TDR仿真进行分析。

2 盲埋孔的建模仿真与结果分析

为了研究盲埋孔对高速PCB板信号特性的影响，本文采用HFSS软件建立8层PCB板模型[7]如下图所示，1层～2层、4层～5层、7层～8层为信号层，第3层为电源层，第6层为接地层，每层板厚度均为0.2 mm（8 mil），介质材料为FR4，介电系数为4。信号线走线宽度0.1 mm（4 mil），厚度为0.13 mm （1.1 mil）。仿真中的信号上升时间均设置为20 ps，最高扫频频率均设置为100 GHz。

图3 8层PCB板的叠层结构

2.1 盲埋孔与通孔对信号特性影响的比较

当信号线需要从第1层走线，到第5层出线，采用盲孔进行连接。盲孔半径设为0.1 mm（4 mil），长度为0.81 mm（32 mil），通过仿真得到的S11（回波损耗）、S21（插入损耗）参数以及特性阻抗TDR如图4所示。为了比较，同时还设计了通孔连接，通孔半径也设为0.1 mm，此时产生通孔多余短柱长度为0.6 mm，得到的S11、S21参数以及特性阻抗TDR如图5所示。

从上图可以看出，盲孔的回波损耗S11参数在频率范围40 GHz ～ 80 GHz时衰减只有4 dB ～ 7 dB，而通孔的S11参数在频率范围40 GHz ～ 80 GHz时衰减为4 dB ～ 10 dB；盲孔的插入损耗S21参数在76GHz时衰减到最大值，而通孔的S21在52 GHz时就已经衰减到最大值了。若要保证插入损耗小于-3 dB，则盲孔的工作带宽有22 GHz，而通孔的工作带宽只有15 GHz；在特性阻抗TDR曲线中，盲孔的特性阻抗变化范围为46～52，而通孔的特性阻抗TDR曲线变化范围则为42～53 ，盲孔拥有更好的传输线阻抗连续性。所以从S参数和特性阻抗TDR变化的稳定性表明：采用盲孔比采用通孔对于在PCB板顶层与内层的信号线连接或者底层与内层的信号线连接具有更好的传输质量。

当信号线在内层走线时，从第2层走线，到第5层出线，采用埋孔进行连接。埋孔半径设为0.1 mm，长度为0.57，得到的S11、S21参数以及特性阻抗TDR如图6所示。同时采用通孔连接进行比较，通孔半径为0.1 mil，此时1层～2层之间产生的多余短柱长度为0.23 mm，5层～8层之间产生的多余短柱长度为0.6 mm，通孔的S11、S21参数以及特性阻抗TDR如图7所示。

图4 盲孔的S参数与特性阻抗TDR

图5 从顶层到第5层走线中采用通孔的S参数与特性阻抗TDR曲线

图6 埋孔的S参数与特性阻抗TDR

从图6和图7可以看出，埋孔的S11参数在频率范围40 GHz ～ 80 GHz时衰减只有4 dB ～ 8 dB，且曲线较为平缓，而通孔的S11参数在频率范围40 GHz ～ 80 GHz时衰减为4 dB ～ 10 dB，特别在32 GHz时，衰减突变为13 dB，影响了传输的稳定性；埋孔的S21参数在77 GHz时衰减到最大值,，而通孔的S21在54 GHz时就已经衰减到最大值了，若要保证插入损耗小于-3 dB，则埋孔的工作带宽有32 GHz，而通孔的工作带宽只有20 GHz；另一方面，在特性阻抗TDR曲线中，埋孔的特性阻抗TDR曲线变化范围为41.8～52，而通孔的特性阻抗变化范围则为37.5～52，相对于通孔而言埋孔拥有更好的传输线阻抗连续性。所以从S参数和特性阻抗TDR变化的稳定性表明：在内层信号线之间的电气连接中，采用埋孔比采用通孔，更有利于提高PCB板内层信号线之间的信号传输质量。

图7 在2～5层走线时采用通孔的S参数与特性阻抗TDR曲线

2.2 盲埋孔孔径、焊盘、反焊盘大小对信号特性的影响

为了研究盲埋孔孔径、焊盘、反焊盘大小对信号特性的影响，将盲埋孔的焊盘、反焊盘大小固定，盲埋孔半径初值设置为0.1 mm，由0.1 mm ～0.175 mm进行变化，得到的S21参数与特性阻抗TDR曲线如图8所示。

图8 孔径大小对盲埋孔信号特性的影响

可以看出当盲孔半径由0.1 mm到0.175 mm进行变化时，阻抗的变化范围由6增加到13.5，阻抗不连续性程度不断增加，且引起的插入损耗S21的幅度也随之增加，在频率范围20 GHz ～ 60 GHz中的最大衰减增加了1.7dB。同时当埋孔半径由4 mil到7 mil进行变化时，阻抗的变化范围由10增加到17，且引起的插入损耗S21的幅度也随之增加，特别在频率范围20 GHz ～60 GHz中的最大衰减增加了1.6 dB。

将盲埋孔的孔径、反焊盘大小固定，盲埋孔焊盘初值设置为0.2 mm，由0.2 mm ～ 0.28 mm进行变化，得到的S21参数与特性阻抗TDR曲线如图9所示。

图9 焊盘大小对盲埋孔信号特性的影响

可以看出当盲孔焊盘大小由0.2 mm到0.28 mm进行变化时，阻抗的变化范围由6.5增加到10.5，引起的插入损耗S21的幅度也随之增加，且最大衰减增加了2 dB。同时当埋孔半径由0.2 mm到0.28 mm进行变化时，阻抗的变化范围由10.5增加到15.5，阻抗不连续性程度不断增加，且引起的插入损耗S21的幅度也随之增加，最大衰减增加了3.2 dB。

将盲埋孔的孔径、焊盘大小固定，盲埋孔反焊盘初值设置为0.3 mm，由0.3 mm ～ 0.375 mm进行变化，得到的S21参数与特性阻抗TDR曲线如图10。

可以看出当盲孔反焊盘大小由0.3 mm到0.375 mm进行变化时，阻抗的变化范围由6.75减小到5.5，阻抗不连续性程度不断减小，引起的插入损耗S21的幅度也随之减小，且最大衰减减小了3.2 dB。同时当埋孔半径由0.3 mm到0.375 mm进行变化时，阻抗的变化范围由10减小到7.5，阻抗不连续性程度不断减小，且引起的插入损耗S21的幅度也随之减小，且最大衰减减小了3 dB。

图10 反焊盘大小对盲埋孔信号特性的影响

3 结语

通过HFSS建立了8层板盲埋孔三维模型，分别将盲埋孔和导通孔作用在信号走线在非顶层和底层的电气连接中，并将盲埋孔与导通孔的S参数和特性阻抗TDR曲线进行了比较分析，盲埋孔比导通孔具有更小的插入损耗和更好的阻抗连续性，在保证插入损耗小于-3 dB的条件下，盲埋孔比导通孔有更宽的工作带宽。

本文还分析了孔径、焊盘、反焊盘几种参数对盲埋孔信号特性的影响。随着盲埋孔的孔径和焊盘尺寸的增加，信号的插入损耗衰减逐渐增大，且阻抗不连续性程度不断变大；而随着盲埋孔的反焊盘尺寸的增加，信号的插入损耗衰减逐渐减小，阻抗不连续性程度变得越小。若要使得插入损耗小于-3 dB且有效工作带宽能达到20 GHz的情况下，则盲孔的半径不要大于0.175 mm，埋孔的半径不要大于0.2 3 mm；盲孔的焊盘不要大于0.25 mm，埋孔的焊盘不要大于0.275 mm；盲孔的反焊盘不要小于0.25 mm，埋孔的反焊盘不要小于0.23mm。若要将阻抗变化范围控制在±10%内，盲埋孔的半径均不要大于0.125 mm；盲孔焊盘不要大于0.25 mm，埋孔焊盘不要大于0.175 mm；盲孔反焊盘不要小于0.275 mm，埋孔反焊盘不要小于0.4 mm。

[1]侯莹莹, 关丹丹. 导通孔设计对高速信号完整性的影响[J]. 印制电路信息, 2009(10): 50-53.

[2]K. C. Gupta，R. Garg, I. Bahl, et al. Microstrip Lines and Slotlines[J]. Norwood,MA: Artech House, 1996: 357-363.

[3]Howard Johnson著, 沈立等译. 高速数字电路设计[M]. 北京:电子工业出版社, 2004.

[4]Martin Graham. PH.D. High-speed Digital Design[J]. A Hand book of Black Magic. University of California at Berkeley.

[5]E. Laermans, J. De Geest, D.De Zutter, et al. Modeling differential via holes[J]. IEEE Trans. Advanced Packaging, 2001, 24 (3):357-363.

[6]陈振国. 微波技术基础与应用[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2003:120.

[7]Ansoft Corporation. HFSS Full Book[R]. Ansoft Corporation, 2005

廖惜春，教授，主要从事射频通信理论与应用、信号处理研究与教学。

屈峰成，硕士研究生，主要研究高速数字信号完整性分析。

Impact of blind via and buried via on high speed PCB signal property

LIAO Xi-chun QU Feng-cheng

As the operating frequency increases and signal rise time reduces, Blind via and buried via cause impedance discontinuities resulting in signal reflections and hence deterioration of system performance in the multi-layers PCB design. So the design of blind via and buried via has been the one of key factors of the high-speed digital circuit. The paper carries out a study of blind via and buried via structure in multi-layers PCBs by modeling and simulation, using a full-wave electromagnetic simulator, and comparing with the through via, analyzes the impact of blind via and buried via diameter, pad and anti-pad on signal property.

High-Speed Digital Circuit; Blind Via; Buried Via; Signal Integrity

TN41

A

1009-0096（2014）01-0045-05