过孔特性阻抗分析及其对信号质量的影响

莫剑冬, 谢永超, 王建甫

(1.上海航天设备制造总厂，上海，200245;2.中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)



试验与检测

过孔特性阻抗分析及其对信号质量的影响

莫剑冬1, 谢永超2, 王建甫2

(1.上海航天设备制造总厂，上海，200245;2.中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

摘要：随着信息技术的高速发展，越来越多的系统都在使用差分信号进行传输，差分特性阻抗的匹配度对差分信号在传输链路上的传输质量有很大的影响。本文主要阐述了过孔处特性阻抗的影响因素及其对差分信号的影响，用来指导连接器的印制板过孔及连接器的设计。

关键词：特性阻抗；印制板；过孔；连接器

1前言

一个高速传输链路系统主要包含了芯片、子板、连接器、母板，如图1所示。目前，对于印制板和连接器的阻抗控制已经有了较多的研究，随着研究的深入和相关工艺的进步，印制板走线和连接器内部的特性阻抗与系统的匹配度越来越好。但是，对于连接器的印制板封装处的阻抗匹配性关注较少，而此处又极易造成阻抗不匹配。随着系统信号传输速率的提高，这种不匹配给信号质量带来的影响越来越明显，越来越严重。

2定义

为了让大家更好的理解本文，首先简要介绍本文中涉及到的几个术语。

2.1　差分特性阻抗

在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。

差分对对差分信号的阻抗，即差分特性阻抗。如果两条信号传输线离得足够远，那么，两条传输线可近似于无耦合，无耦合时的差分特性阻抗Zdiff=2Z0。其中，Z0为单端信号的特性阻抗；当把两条信号传输线拉的越来越近时，它们的边缘电场和磁场就会相互覆盖，之间的耦合程度也会越来越强，差分特性阻抗也会逐渐减小。

2.2　印制板过孔

为了让印制板的各层之间或者元器件和走线之间实现电气连接，需要在印制板上钻一些具有导电特性的小孔，这就称为过孔。它包括筒状孔壁(Barrel)、焊盘(pad)和反焊盘(anti-pad)。过孔的筒孔壁是为了保证印制板各层之间的电气连接而对钻孔进行填充的导电材料；焊盘的作用把孔壁和元件或者走线相连；反焊盘就是指过孔焊盘和周围不需要进行连接的金属之间的间隔。印制板过孔剖面示意图如图2所示。

3过孔特性阻抗的影响因素

3.1　过孔间距对差分特性阻抗的影响

可将传输差分信号的一对过孔理解为平行的双圆杆型传输模型。

差分特性阻抗计算公式：

(3.1)

式中，

Z0表示差分特性阻抗，单位为Ω；

S表示两圆杆的中心距离；

d表示圆杆的直径；

εr圆杆周围材料的介电常数。

由公式(3.1)可知，在平行的双圆杆型传输模型中，在其它因素不变的情况下，过孔间的距离S和差分特性成正比，即当增大孔间距时，差分特性阻抗变大，反之，差分特性阻抗减小。

3.2　钻孔尺寸和焊盘尺寸对差分特性阻抗的影响

钻孔和焊盘外形为圆柱形，转化物理模型，可以等效为平行的双圆杆传输模型。平行的双圆杆传输模型的差分特性阻抗计算公式见公式(3.1)。

由公式可知，在平行的双圆杆型传输模型中，差分特性阻抗值和圆杆直径大小成反比，即减小钻孔或焊盘直径可增大差分特性阻抗值，反之，可减小差分特性阻抗值。

3.3　反焊盘尺寸对差分特性阻抗的影响

反焊盘是指的是负片中铜片与焊盘的距离。

反焊盘处的横截面可以理解为同轴线模型的横截面，如图4所示。

同轴线特性阻抗的计算公式如(3.2)所示。其中εr是内外导体间介质的介电常数，D为外导体内径，d为内导体外径。

(3.2)

从上面的公式可以得出以下结论：

当其它条件不变时，外导体内径D和特性阻抗成正比，即当D增大时，特性阻抗也随之增大，反之，特性阻抗值减小。即理论上，反焊盘直径和特性阻抗成正比。

3.4　背钻对特性阻抗的影响

在传输线中常常会出现分支，如果分支很短，就称为短桩。当信号离开驱动器后，遇到了分支点，这时信号遇到的是两段传输线的并联阻抗，此阻抗较低，所以信号负反射回到源端，另一部分信号将沿两个分支继续传播。当桩线上的信号到达桩线末端时，它将反射回分支点，再从分支点反射到桩线末端，就这样在桩线中来回震荡。同时，每当与分支点发生交互时，桩线中的部分信号都将回到源端和远端。每个交界处都是一个反射点。

过孔处也有可能存在短桩效应，为了减小短桩，避免由短桩造成的阻抗低点，将过孔处多余的金属焊盘和金属孔壁钻掉，我们称之为背钻。背钻前后过孔状态如图5所示。

3.5　板材对差分特性阻抗的影响

由公式(3.1)可知，在平行的双圆杆型传输模型中，在其它因素不变的情况下，过孔周围的介质的介电常数 和差分特性成反比，即当增大介质的介电常数 时，差分特性阻抗变小，反之，差分特性阻抗增大。

4过孔处特性阻抗对信号质量的影响

第3章分析了不同因素对过孔处特性阻抗的影响，下面将分析过孔处特性阻抗匹配性对短链路和长链路的插入损耗、回波损耗和眼图的影响。

4.1　数据分析工具

这里所采用的数据分析工具是HFSS和ADS(Advanced Design System)。

4.2过孔处差分特性阻抗匹配性对短链路信号质量的影响

图6为HFSS中一个差分对过孔的模型，链路长度仅为过孔长度，长度为3mm。通过改变焊盘的大小得到两种不同的模型，通过仿真软件达到两个模型的特性阻抗、插入损耗、回波损耗和眼图。通过对比，分析过孔处特性阻抗匹配度对信号质量的影响。

图7为两种焊盘尺寸对应的差分特性阻抗值，实线为模型A，特性阻抗最低值为97Ω；虚线为模型B，特性阻抗最低值为72.4Ω，两者相差24.6Ω。端接额定特性阻抗为100Ω，所以，模型A的阻抗匹配度要优于模型B的。

图8为模型A(实线)和模型B(虚线)的插入损耗。从图中可以看出，阻抗匹配度好的模型A的插入损耗优于模型B的。

图9为模型A(实线)和模型B(虚线)的回波损耗。从图中可以看出，阻抗匹配度好的模型A的差分回波损耗明显优于模型B的。

该链路仅有3mm长，损耗很小，所以眼图没有对比的意义。

4.3　过孔处差分特性阻抗匹配度对长链路信号质量的影响

图10为长链路示意图，链路有4处连接器封装，即有4处过孔，链路总长度为300mm。

我们分别把子板差分走线、母板差分走线、连接器和印制板过孔处的S参数模型从HFSS中提取出来，把各个S参数模型导入ADS软件中，进行模型系统级联仿真。

级联仿真中，子板、母板和连接器的S参数不变，仅改变过孔的S参数模型，我们将使用4.2中的模型A过孔的系统称为系统A，将使用4.2中的模型B过孔的系统称为系统B。我们将从系统级联仿真得出的插入损耗、回波损耗和传输眼图来对比分析系统A和系统B的优劣。

ADS系统级联原理图如图11所示。

图12和图13为系统A和系统B的差分插入损耗仿真数据。

为了直观的对比系统A和系统B的差分插入损耗的优劣，我们按频段进行分析，对比每个频段的最差值，见表7。通过表7的对比分析，8个频率段内，系统A全部优于系统B。综合分析，系统A的差分插入损耗数据优于系统B的。

图14和图15分别为系统A和系统B的差分回波损耗仿真数据。

为了直观的对比系统A和系统B的差分回波损耗的优劣，我们按频段进行分析，对比每个频段的最差值，见表8。通过表8的对比分析，8个频率段内，系统A全部优于系统B。综合分析，系统A的差分回波损耗数据优于系统B的。

图16和图17分别为系统A和系统B的差分传输眼图仿真数据，传输速率设置为3.125Gbps，上升时间为100ps。

从图16和图17可以看出，模型A的系统仿真眼宽为296ps、眼高为0.6V，模型B的系统仿真眼图的眼宽为267.2ps、眼高为0.496V，对比可知，模型A系统的眼宽和眼高均大于系统B模型的。

综合差分插入损耗、差分回波损耗和传输眼图的仿真结果可知，系统A的差分性能指标均优于系统B的，由此可知在其它条件不变的情况下，过孔阻抗匹配度越好，信号质量越好。

5总结

本文主要讲述了影响过孔特性阻抗的几个因素，每个因素对特性阻抗影响的趋势，以及过孔处差分特性阻抗对链路信号完整性的影响。虽然过孔在传输链路中占很短的一段，但其对信号质量却有不容忽视的影响。随着信号速率的提高，链路中任何一个环节都不可小视，均需进行信号完整性仿真，进行优化设计。希望在以后进行高速差分连接器和测试印制板设计时能够提供一些帮助。

参考文献：

[1]李玉山，李丽平等译，Eric Bogatin 著.信号完整性分析.

收稿日期：2015-02-16

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.008

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)02-0032-05