過(guò)孔特性阻抗分析及其對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響

莫?jiǎng)Χ? 謝永超, 王建甫

(1.上海航天設(shè)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(yáng)，471000)

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試驗(yàn)與檢測(cè)

過(guò)孔特性阻抗分析及其對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響

莫?jiǎng)Χ?, 謝永超2, 王建甫2

(1.上海航天設(shè)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(yáng)，471000)

摘要：隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)都在使用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，差分特性阻抗的匹配度對(duì)差分信號(hào)在傳輸鏈路上的傳輸質(zhì)量有很大的影響。本文主要闡述了過(guò)孔處特性阻抗的影響因素及其對(duì)差分信號(hào)的影響，用來(lái)指導(dǎo)連接器的印制板過(guò)孔及連接器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：特性阻抗；印制板；過(guò)孔；連接器

1前言

一個(gè)高速傳輸鏈路系統(tǒng)主要包含了芯片、子板、連接器、母板，如圖1所示。目前，對(duì)于印制板和連接器的阻抗控制已經(jīng)有了較多的研究，隨著研究的深入和相關(guān)工藝的進(jìn)步，印制板走線和連接器內(nèi)部的特性阻抗與系統(tǒng)的匹配度越來(lái)越好。但是，對(duì)于連接器的印制板封裝處的阻抗匹配性關(guān)注較少，而此處又極易造成阻抗不匹配。隨著系統(tǒng)信號(hào)傳輸速率的提高，這種不匹配給信號(hào)質(zhì)量帶來(lái)的影響越來(lái)越明顯，越來(lái)越嚴(yán)重。

2定義

為了讓大家更好的理解本文，首先簡(jiǎn)要介紹本文中涉及到的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)。

2.1　差分特性阻抗

在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。

差分對(duì)對(duì)差分信號(hào)的阻抗，即差分特性阻抗。如果兩條信號(hào)傳輸線離得足夠遠(yuǎn)，那么，兩條傳輸線可近似于無(wú)耦合，無(wú)耦合時(shí)的差分特性阻抗Zdiff=2Z0。其中，Z0為單端信號(hào)的特性阻抗；當(dāng)把兩條信號(hào)傳輸線拉的越來(lái)越近時(shí)，它們的邊緣電場(chǎng)和磁場(chǎng)就會(huì)相互覆蓋，之間的耦合程度也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，差分特性阻抗也會(huì)逐漸減小。

2.2　印制板過(guò)孔

為了讓印制板的各層之間或者元器件和走線之間實(shí)現(xiàn)電氣連接，需要在印制板上鉆一些具有導(dǎo)電特性的小孔，這就稱為過(guò)孔。它包括筒狀孔壁(Barrel)、焊盤(pad)和反焊盤(anti-pad)。過(guò)孔的筒孔壁是為了保證印制板各層之間的電氣連接而對(duì)鉆孔進(jìn)行填充的導(dǎo)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(guò)孔焊盤和周圍不需要進(jìn)行連接的金屬之間的間隔。印制板過(guò)孔剖面示意圖如圖2所示。

3過(guò)孔特性阻抗的影響因素

3.1　過(guò)孔間距對(duì)差分特性阻抗的影響

可將傳輸差分信號(hào)的一對(duì)過(guò)孔理解為平行的雙圓桿型傳輸模型。

差分特性阻抗計(jì)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(shù)。

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(guò)孔間的距離S和差分特性成正比，即當(dāng)增大孔間距時(shí)，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(duì)差分特性阻抗的影響

鉆孔和焊盤外形為圓柱形，轉(zhuǎn)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(jì)算公式見(jiàn)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(duì)差分特性阻抗的影響

反焊盤是指的是負(fù)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(jì)算公式如(3.2)所示。其中εr是內(nèi)外導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)，D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。

(3.2)

從上面的公式可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)其它條件不變時(shí)，外導(dǎo)體內(nèi)徑D和特性阻抗成正比，即當(dāng)D增大時(shí)，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(duì)特性阻抗的影響

在傳輸線中常常會(huì)出現(xiàn)分支，如果分支很短，就稱為短樁。當(dāng)信號(hào)離開(kāi)驅(qū)動(dòng)器后，遇到了分支點(diǎn)，這時(shí)信號(hào)遇到的是兩段傳輸線的并聯(lián)阻抗，此阻抗較低，所以信號(hào)負(fù)反射回到源端，另一部分信號(hào)將沿兩個(gè)分支繼續(xù)傳播。當(dāng)樁線上的信號(hào)到達(dá)樁線末端時(shí)，它將反射回分支點(diǎn)，再?gòu)姆种c(diǎn)反射到樁線末端，就這樣在樁線中來(lái)回震蕩。同時(shí)，每當(dāng)與分支點(diǎn)發(fā)生交互時(shí)，樁線中的部分信號(hào)都將回到源端和遠(yuǎn)端。每個(gè)交界處都是一個(gè)反射點(diǎn)。

過(guò)孔處也有可能存在短樁效應(yīng)，為了減小短樁，避免由短樁造成的阻抗低點(diǎn)，將過(guò)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(guò)孔狀態(tài)如圖5所示。

3.5　板材對(duì)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(guò)孔周圍的介質(zhì)的介電常數(shù) 和差分特性成反比，即當(dāng)增大介質(zhì)的介電常數(shù) 時(shí)，差分特性阻抗變小，反之，差分特性阻抗增大。

4過(guò)孔處特性阻抗對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響

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

4.1　數(shù)據(jù)分析工具

這里所采用的數(shù)據(jù)分析工具是HFSS和ADS(Advanced Design System)。

4.2過(guò)孔處差分特性阻抗匹配性對(duì)短鏈路信號(hào)質(zhì)量的影響

圖6為HFSS中一個(gè)差分對(duì)過(guò)孔的模型，鏈路長(zhǎng)度僅為過(guò)孔長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為3mm。通過(guò)改變焊盤的大小得到兩種不同的模型，通過(guò)仿真軟件達(dá)到兩個(gè)模型的特性阻抗、插入損耗、回波損耗和眼圖。通過(guò)對(duì)比，分析過(guò)孔處特性阻抗匹配度對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。

圖7為兩種焊盤尺寸對(duì)應(yīng)的差分特性阻抗值，實(shí)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(yōu)于模型B的。

圖8為模型A(實(shí)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(yōu)于模型B的。

圖9為模型A(實(shí)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(yōu)于模型B的。

該鏈路僅有3mm長(zhǎng)，損耗很小，所以眼圖沒(méi)有對(duì)比的意義。

4.3　過(guò)孔處差分特性阻抗匹配度對(duì)長(zhǎng)鏈路信號(hào)質(zhì)量的影響

圖10為長(zhǎng)鏈路示意圖，鏈路有4處連接器封裝，即有4處過(guò)孔，鏈路總長(zhǎng)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(guò)孔處的S參數(shù)模型從HFSS中提取出來(lái)，把各個(gè)S參數(shù)模型導(dǎo)入ADS軟件中，進(jìn)行模型系統(tǒng)級(jí)聯(lián)仿真。

級(jí)聯(lián)仿真中，子板、母板和連接器的S參數(shù)不變，僅改變過(guò)孔的S參數(shù)模型，我們將使用4.2中的模型A過(guò)孔的系統(tǒng)稱為系統(tǒng)A，將使用4.2中的模型B過(guò)孔的系統(tǒng)稱為系統(tǒng)B。我們將從系統(tǒng)級(jí)聯(lián)仿真得出的插入損耗、回波損耗和傳輸眼圖來(lái)對(duì)比分析系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的優(yōu)劣。

ADS系統(tǒng)級(jí)聯(lián)原理圖如圖11所示。

圖12和圖13為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的差分插入損耗仿真數(shù)據(jù)。

為了直觀的對(duì)比系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的差分插入損耗的優(yōu)劣，我們按頻段進(jìn)行分析，對(duì)比每個(gè)頻段的最差值，見(jiàn)表7。通過(guò)表7的對(duì)比分析，8個(gè)頻率段內(nèi)，系統(tǒng)A全部?jī)?yōu)于系統(tǒng)B。綜合分析，系統(tǒng)A的差分插入損耗數(shù)據(jù)優(yōu)于系統(tǒng)B的。

圖14和圖15分別為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的差分回波損耗仿真數(shù)據(jù)。

為了直觀的對(duì)比系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的差分回波損耗的優(yōu)劣，我們按頻段進(jìn)行分析，對(duì)比每個(gè)頻段的最差值，見(jiàn)表8。通過(guò)表8的對(duì)比分析，8個(gè)頻率段內(nèi)，系統(tǒng)A全部?jī)?yōu)于系統(tǒng)B。綜合分析，系統(tǒng)A的差分回波損耗數(shù)據(jù)優(yōu)于系統(tǒng)B的。

圖16和圖17分別為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的差分傳輸眼圖仿真數(shù)據(jù)，傳輸速率設(shè)置為3.125Gbps，上升時(shí)間為100ps。

從圖16和圖17可以看出，模型A的系統(tǒng)仿真眼寬為296ps、眼高為0.6V，模型B的系統(tǒng)仿真眼圖的眼寬為267.2ps、眼高為0.496V，對(duì)比可知，模型A系統(tǒng)的眼寬和眼高均大于系統(tǒng)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(jié)果可知，系統(tǒng)A的差分性能指標(biāo)均優(yōu)于系統(tǒng)B的，由此可知在其它條件不變的情況下，過(guò)孔阻抗匹配度越好，信號(hào)質(zhì)量越好。

5總結(jié)

本文主要講述了影響過(guò)孔特性阻抗的幾個(gè)因素，每個(gè)因素對(duì)特性阻抗影響的趨勢(shì)，以及過(guò)孔處差分特性阻抗對(duì)鏈路信號(hào)完整性的影響。雖然過(guò)孔在傳輸鏈路中占很短的一段，但其對(duì)信號(hào)質(zhì)量卻有不容忽視的影響。隨著信號(hào)速率的提高，鏈路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不可小視，均需進(jìn)行信號(hào)完整性仿真，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。希望在以后進(jìn)行高速差分連接器和測(cè)試印制板設(shè)計(jì)時(shí)能夠提供一些幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉山，李麗平等譯，Eric Bogatin 著.信號(hào)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(hào)：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6133(2015)02-0032-05