摘要：随着数字信号传输速率的不断提升，信号完整性已经成为高速PCB设计的重点和难点，尤其过孔寄生参数带来的信号质量的劣化，严重影响PCB的整体性能和信号完整性。本文用全波电磁仿真软件HFSS，对过孔的不同结构进行了详细的仿真，并建立三维物理模型，分析了过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响，最后总结出高速PCB过孔设计中的重要原则。
关键词：过孔；信号完整性；高速PCB；TDR
一、引言
在数字通信系统中，随着PCB布线密度，布线层数和传输信号速率的不断增加，信号完整性的问题变得越来越突出，已经成为高速PCB设计者巨大的挑战。
在高速PCB设计中，过孔已经越来越普遍使用，其本身的寄生参数极易造成信号完整性问题，如何减少过孔本身所产生的信号完整性问题，已经成为高速PCB设计者研究的重点和难点；本文用全波电磁仿真软件HFSS，对过孔的不同结构进行了详细的仿真和研究，并建立三维物理模型，重点分析了过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响，最后总结出高速PCB过孔设计中的一些重要原则，对高速PCB设计者具有一定的指导价值。
二、过孔简介
过孔是多层高速PCB的重要组成部分，过孔的费用通常可以占到整个PCB费用的30%~40%，过孔主要由两个作用：不同层的电气连接和器件的固定和定位。工艺上分为盲孔，埋孔和通孔。盲孔和埋孔得深度不超过PCB的厚度，只连通PCB中的部分层；通孔则贯穿整个PCB层，另外由于通孔在工艺上更易实现，成本较低，所以绝大部分PCB只使用通孔，本文主要讨论通孔的情况。
三、过孔的寄生参数
若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如图1所示。
图 过孔的等效电路模型
从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：
过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于：
3.1 过孔三维模型
为了量化分析过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数对高速PCB的信号完整性的影响，本文采用了全波电磁仿真软件HFSS软件对高速PCB过孔进行了三维仿真分析，与传统的电路等效方式仿真，全波电磁仿真软件具有仿真结果准确可靠，仿真速度快，界面友好等优点。为详细分析过孔的关键参数对过孔性能的影响，把部分关键参数设置为动态，设置如下：材质为FR4，介点系数为，反焊盘直径R_antipad变化范围10mil~17mil；过孔直径R_via变化范围10mil~13mil，过孔焊盘R_pad变化范围12mil~16mil，过孔深度H_pad变化范围59mil~70mil.
图 过孔的三维仿真模型图(HFSS)
四、参数仿真和分析
仿真的扫描频率范围为0Hz~10GHz，每组仿真结果包括TDR，反射和插入损耗。并详细分析三种参数与过孔尺寸变化的对应关系。
4.1 过孔直径对信号完整性的影响
把反焊盘大小固定为13mil，只变化过孔直径（10mil~12mil）；通过电磁仿真得到TDR，反射，,插入损耗与孔径的对应仿真图，从仿真结果可以看出：随着过孔的不断增大，阻抗的不连续性越明显，插入损耗越大，反射也越大。过孔直径由10mil增加到12mil过程中，阻抗不连续严重时相差14欧姆左右，同时引入的插入损耗严重时达到4 dB。所以在高速PCB设计时尽量控制信号过孔的直径，一般不超过0.3mm，减少过孔对信号完整性的影响。仿真图如图3，图4和图5。
图3 TDR与过孔直径关系的仿真图
图4 反射与过孔直径关系的仿真图
图5 插入损耗与过孔直径关系的仿真图
4.2 过孔深度对信号完整性的影响
把反焊盘大小固定为13mil，过孔直径固定为10mil，改变过孔深度（59mil~71mil）；通过电磁仿真得到TDR ,反射，插入损耗与孔径深度的对应仿真图；从仿真结果可以得出随着孔径深度的不断增加，阻抗不连续性更加明显，反射更为严重，插入损耗会变得更大。过孔深度变化造成的不连续性，反射和插入损耗相没有过孔直径变化造成的明显，孔深由59mil变化到71mil过程中，阻抗严重时差3 dB左右，插入损耗严重时为1 dB左右，反射在0Hz~10GHz内也不是特别明显。不过为保证信号完整性，高速PCB设计中PCB叠层越少越好，厚度一般控制在1.5mm以内。仿真图如图6，图7和图8。
图6 TDR与孔径深度变化的仿真图
图7 反射与孔径深度变化的仿真图
图8 插入损耗与孔径深度变化仿真图
4.3 过孔焊盘对信号完整性的影响
把反焊盘大小固定为13mil，过孔深度固定为70mil，只改变过孔焊盘（12mil~20mil），通过电磁仿真得到TDR，反射，插入损耗与过孔焊盘的对应仿真图，可以得出孔径焊盘的不断增大，阻抗不连续性越明显，反射更为严重，插入损耗也会更大。阻抗严重时差5欧姆左右，反射和插入损耗也相差较为明显，在高速PCB设计中对过孔焊盘的尺寸也要控制在合理的范围内，一般小于0.6mm，以减少对信号完整性的影响。仿真图如图9，图10和图11。
图9 TDR与过孔焊盘关系的仿真图
图10 反射与过孔焊盘关系的仿真图
图11 插入损耗与过孔焊盘关系的仿真图
4.4 反焊盘对信号完整性的影响
把过孔焊盘大小固定为10mil，过孔深度固定为70mil，只改变反焊盘（13mil~17mil），通过电磁仿真得到TDR，反射，插入损耗与过孔焊盘的对应仿真图，可以得出反焊盘的不断减小，阻抗不连续性不断恶化，反射更为严重，插入损耗也会变得大。所以在高速PCB设计中尽量使用较大的反焊盘，以便减少反射和插入损耗，优化信号传输质量，改善信号完整性。仿真图如图12，图13和图14。
图12 TDR与过孔反焊盘关系的仿真图
图13 反射与过孔反焊盘关系的仿真图
图14 插入损耗与过孔反焊盘关系的仿真图
结语
本文建立过孔三维物理模型，并通过电磁仿真，研究了在扫描频率为0Hz~10GHz的范围内，过孔直径，过孔深度，过孔焊盘和反焊盘几种关键参数的变化所带来的阻抗不连续性，反射和插入损耗的严重程度；并推荐了高速PCB设计中过孔常用尺寸和一些重要的设计原则，这些原则能够为高速PCB设计者提供重要的参考，同时可以减少PCB设计中所遇到的信号完整性问题，缩短设计周期和开发成本。 
