高速电路PCB过孔优化的仿真
高速多层板过孔分析与仿真
ｔ ｅ ａ ｖ ｔ ｇ ｓ ｆ ｈ ａ ｋ ｄ ｉ ｉ ｇ ｆ ｒ ｉ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｍｕ ｔ ｌｙ ｒ ＣＢ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ． ｈ ｄ ａ ａ ｅ ｔ ｅ ｃ — ｒ ｌ ｏ ａｉ ｈ ｇ — ｐ ｅ ｌ ・ ｅ ｓＰ ｎ ｏ ｂ ｌｎ ｖ ｎ ｉａ ｒ ｎ ａ ｒ ｄ ｃ ｄ
场 和 磁 场 形 式 在 信 号 线 和 地 回 路之 间传 输 。
一
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低 频 的时 候 ， 孔 不 会 对 信 号 的 传 输 产 生 影 响 。但 是 随 着 数 过
据 速 率 的增 加 和信 号 上 升 沿 的变 陡 ， 孔 将 不 能 简 单 的 被 看 过
输 线 几 何 形 状 和介 质 材 料 的 函 数 。 理 想 传 输 线 条 件 考 虑 ， 连 线 中 的分 布 电容 和 分 布 电
传 输 特 性 所 产 生 的 影 响 ， 及 Ｂ ｃ－ｒｌ ｇ工 艺 的优 势 ， 真 结 果对 高速 Ｐ Ｂ设 计 具 有 实 际 指 导 作 用 。 以 ａｋｄｉｉ ｌｎ 仿 Ｃ 关 键 词 ： 孔 ； 高 速 印刷 电路 板 ； 信 号 完 整 性 ； 反 钻 ； 过 孔 短 柱 过
中 图法分类号 ： Ｐ ０ Ｔ ３３
１
成 电 气 连 接 ， 应 该 考 虑 它 对 信 号 完 整 性 的影 响 。 过 孔 效 应 而
已经 成 为 制 约 高速 Ｐ Ｂ设 计 的 关 键 因素 之 一 。 Ｃ 在 Ｐ Ｂ设 计 中 ， 多 因 素 会 对 过 孔 的 寄 生参 数 产 生影 响 ， Ｃ 很 例 如 叠 层 ， 盘 的尺 寸 ， 焊 盘 的尺 寸 ， 孔 金 属 等 。高 速 互 焊 反 镀 连 信 号 完 整 性 分 析 迫 切 需 要 对 精 确 的过 孔 模 型 进 行 仿 真 分 析 。 文 将 主 要 基 于 三 维 全 波 电磁 及 电 路 系 统 仿 真 软 件 进 行 本
高速PCB单端过孔研究超详细过程
高速PCB单端过孔研究超详细过程在高速数字电路设计中，过孔的寄生电容、电感的影响不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。
本文采用矢量网络分析仪研究了过孔长度、过孔孔径、焊盘/反焊盘直径对过孔阻抗的影响。
通过在信号孔旁增加接地孔，为过孔电流提供回路方法，提高过孔阻抗的连续性，并有效降低过孔损耗。
结果表明，增加接地孔可实现对过孔阻抗的控制，过孔阻抗随接地孔数量增加而降低，当采用4个接地孔时过孔阻抗可通过同轴电缆阻抗公式进行近似计算。
此外，本文还探讨了过孔多余短柱对过孔阻抗及损耗的影响。
结果表明，过孔多余短柱长度每增加0.10 mm，过孔阻抗降低0.4-0.9 ohm，且过孔损耗随多余短柱长度增加而增大。
本研究可为高速数字电路过孔设计和优化提供依据。
1、前言现代高速数字电路设计中，过孔对PCB信号完整性的影响不容忽视［1-2］。
在高速设计中往往要采用多层PCB，而在多层板中，信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接，在频率低于1GHz时，过孔能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。
当频率高于1GHZ后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题［3］。
当信号通过过孔传输至另外一层时，信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题［4-5］。
目前，有关过孔相关研究报道还比较少，且研究基本是采用仿真软件来模拟过孔参数对过孔阻抗及S参数的影响［6-8］。
这些仿真结果只能帮助设计者了解相关参数对过孔阻抗及信号完整性的影响趋势，但不能准确给出过孔参数的影响程度，难以指导实际工程设计。
本研究通过采用网络分析仪测试TDR曲线方法研究了单端过孔阻抗，分析了过孔孔径、过孔长度、焊盘/反焊盘尺寸对过孔阻抗的影响；通过为过孔信号提供返回路径的方法，研究了接地孔对过孔阻抗、损耗的影响，还探讨了多余短柱对过孔阻抗及损耗的影响。
高速PCB差分过孔HFSS仿真分析与优化
高速PCB差分过孔HFSS仿真分析与优化信号完整性在高频高速电路中十分重要，差分过孔的不连续性会严重影响到信号的完整性，针对高速印制电路板(printed circuit board，PCB)中差分信号与共模信号对差分过孔的低反射、高传输和阻抗稳定的设计要求，首先建立差分过孔的等效物理模型与电路模型进行差分过孔的差分信号与共模信号的性能分析;然后在 PCB 层叠结构和布线模式设计的基础上运用三维电磁仿真软件HFSS 设置不同的过孔中心距、反焊盘直径及地过孔数量，对差分过孔的时域阻抗、回波损耗、插入损耗进行仿真与分析，并利用S 参数与时域内阻抗变化，分析过孔的差分性能和共模性能;最后通过仿真结果分析，得出过孔中心距38 mils(1 mil =0. 025 4 mm)、反焊盘直径 32 mils 及使用双过孔地过孔的设置使差分信号和共模信号的性能最优，提出优化了差分过孔的性能的新思路，为高速差分过孔设计提供参考。
引言在高速印制电路板(printed circuit board，PCB)设计中，由于差分结构相比于单端结构在信号完整性方面有很多优势，因此高速PCB 设计中常应用差分结构，差分过孔也广泛应用于连接不同层中的差分结构，虽然差分过孔使互连变得容易，但差分过孔的不连续性也会严重影响到信号完整性，因此研究差分过孔的特性非常重要。
分析差分过孔性能常常需要建立模型，目前已经进行了许多关于过孔建模的研究，但多集中于单过孔，而将单过孔外推至差分过孔仅在相邻过孔之间的电容和电感耦合可忽略不计时才有效，这个特征对于差分过孔并不适用，因此需要分析差分过孔的特性，从而建立适用于差分过孔的新型模型。
目前，对于差分过孔特性的分析和研究主要集中于过孔结构优化之上，文献研究了差分过孔短柱(Stub)如何影响时域传输(TDT)波形和眼图，并提出了一种带有/不带有额外通气孔的高阻抗差分优化方案以减轻差分过孔 stub 的影响。
高速PCB设计中信号完整性的仿真与分析经验
高速PCB设计中信号完整性的仿真与分析经验信号完整性是高速PCB设计中非常重要的考虑因素之一，它涉及到信号的传输特性、功率完整性和噪声抑制等方面。
为了确保良好的信号完整性，需要进行仿真和分析，下面将分享一些经验。
首先，进行信号完整性仿真和分析时，通常会使用电磁场仿真软件，如HyperLynx、ADS和Siemens Polarion等。
这些软件提供了强大的仿真工具，可以模拟高速信号在PCB板层间、连线延迟、反射噪声和交叉耦合等方面的特性。
在进行PCB布线之前，可以使用S参数仿真来预测信号传输损耗和延迟。
S参数仿真可以帮助确定适当的信号线宽和间距，以确保信号在传输过程中不会过多地损耗信号强度。
另外，还可以使用时间域仿真来观察信号的时钟偏移、波形畸变和振荡等问题。
在信号完整性分析中，功率完整性也是一个重要的考虑因素。
为了确保功率供应的稳定性，可以使用直流仿真来模拟电流分布和功率供应网络的负载情况。
同时，也需要考虑布线的阻抗匹配和电源降噪等因素，以确保信号传输过程中的稳定性和可靠性。
噪声抑制是信号完整性另一个重要的方面。
在高速PCB设计中，尤其是在高频电路中，信号可能会受到电磁干扰、串扰和反射等干扰。
为了抑制这些噪声，可以使用串扰仿真来分析信号互相之间的干扰程度，并采取相应的补救措施，如增加地线和电源平面或添加层间抑制器等。
此外，还可以通过仿真来评估不同布线方案的性能。
通过对比仿真结果，可以选择性能最佳的布线方案，以实现更好的信号完整性。
除了进行仿真分析，还应根据实际情况对设计进行优化，如合理布局和分隔模块、减少信号线长度、使用合适的信号线层间堆叠等。
总结起来，信号完整性的仿真与分析在高速PCB设计中起着至关重要的作用。
通过运用合适的仿真工具和技术，可以提前检测和解决信号完整性问题，提高PCB设计的可靠性和性能。
同时，也需要结合实际经验和优化措施，确保设计的有效性和可行性。
五款信号完整性仿真工具介绍
现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。
高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。
目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
(一)Ansoft公司的仿真工具现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。
高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。
目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题：SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。
该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。
该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。
它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。
仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。
(二)SPECCTRAQuestCadence的工具采用Sun的电源层分析模块：Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。
该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。
PCB中过孔对高速信号传输的影响
PCB中过孔对高速信号传输的影响1.阻抗不匹配：过孔本身具有电容和电感，会对信号传输的阻抗造成影响。
当高速信号通过过孔时，会产生反射和干扰，导致信号的丢失和信号质量的下降。
特别是在信号频率较高时，过孔的阻抗不匹配可能会导致严重的信号失真。
2.信号耦合：当多个信号线通过相同的过孔时，会产生信号间的互相干扰，从而影响信号的稳定性。
这种信号耦合可以是电容耦合、电感耦合或电磁辐射耦合等。
这种耦合会导致信号的干扰、串扰和失真，并可能引起信号的节奏不稳定。
3.串扰：高速信号经过过孔时，由于信号的边沿陡峭，会在过孔附近引起电磁波的辐射和传播。
这种辐射和传播会导致信号在邻近信号线上产生串扰。
特别是对于相邻的差分信号线，通过过孔时的串扰效应会更加显著。
4.发射和接收延迟：高速信号通过过孔时，由于信号传播速度的差异，会造成发射和接收之间的延迟。
这种延迟会导致时钟与数据之间的不同步，从而影响信号的稳定性和可靠性。
为了解决过孔对高速信号传输的影响，有以下一些方法和技术可以采取：1.使用仿真工具：通过使用电磁仿真工具，可以预测和评估信号在过孔附近的行为，并优化PCB设计，以减少信号失真和干扰。
2.地线设计：合理的地线设计可以有效地减少通过过孔的信号干扰。
例如，采用分离的地线平面，或通过增加任意形状的引地过孔来引导过孔附近的电磁辐射。
3.差分信号设计：差分信号可以降低信号的干扰和串扰效应。
通过合理走线和阻抗匹配，可以减少差分信号通过过孔时的干扰。
4.使用垂直通孔：垂直通孔通常比普通的过孔更好地保持信号完整性，因为它们更短且直接连接在PCB层上。
5.减少过孔数量：减少过孔数量可以减少对信号传输的影响。
优化布局和走线，尽量避免过孔和通过过孔的信号。
总之，PCB中过孔对高速信号传输有一系列影响，包括阻抗不匹配、信号耦合、串扰以及发射和接收延迟。
通过使用仿真工具、合理的地线设计、差分信号设计、垂直通孔以及减少过孔数量等方法，可以减少过孔对高速信号传输的影响，提高PCB设计的性能和可靠性。
高速PCB差分过孔研究
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｖ ｉ ａ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ － ・ ｓ ｐｅ ｅ ｄ ＰＣＢ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｗ ｅ ｎ — ｍｉ ｎ Ｃ ＨＥ ＮＧ Ｌ ｉ ｕ － ｊ ｕ ｎ Ｗ Ａ ＮＧ Ｈｏ ｎ ｇ － ｆ ｅ ｉ Ｌ １ Ｙ ａ ｎ － ｇ ｕ ｏ
ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｔｈｅ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｈｏ ｌ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， ｐ ａ ｄ ｓ ｉ ｚ ｅ ，ａ ｎ ｔ ｉ － ｐａ ｄ ｓ ｉ ｚ ｅ ， ｈｏ ｌ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｕｂ ｌ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ｏ ｎ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｖ ｉ ａ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ － ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｂ ｙ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ． Ｉ ｔ ｗａ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｒ ｓ ．Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖｅ ｔ ｈｅ Ｐ ＣＢ ｗｉ ｒ ｉ ｎｇ ｄ ｅ ｎｓ ｉ ｔ ｙ ，ｄ ｉ ｆｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｖｉ ａ ｓ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｃ ｈ ｏ ｓ ｅ ｎ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
降低 约２ Ｑ，Ｓ 降增加 约 Ｏ ． １ ４ ｄ ｂ 盈 １ ２ ． ５ Ｇ Ｈ ｚ 。
关键词 差分过孑 Ｌ ；信号完整性 ：阻抗不 连续 中图分类号 ：Ｔ Ｎ ４ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ０ ０ ９ ６（ ２ ０ １ ６） 增刊一 ０ ０ ２ ４ — ０ ５
PCB仿真概述
随着信息宽带化和高速化的发展，以前的低速PCB已完全不能满足日益增长信息化发展的需要，人们对通信需求的不断提高，要求信号的传输和处理的速度越来越快，相应的高速PCB的应用也越来越广，设计也越来越复杂。
高速电路有两个方面的含义，一是频率高，通常认为数字电路的频率达到或是超过45MHZ 至50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的三分之一，就称为高速电路；二是从信号的上升与下降时间考虑，当信号的上升时小于6倍信号传输延时时即认为信号是高速信号，此时考虑的与信号的具体频率无关。
高速PCB的出现将对硬件人员提出更高的要求，仅仅依靠自己的经验去布线，会顾此失彼，造成研发周期过长，浪费财力物力，生产出来的产品不稳定。
高速电路设计在现代电路设计中所占的比例越来越大，设计难度也越来越高，它的解决不仅需要高速器件，更需要设计者的智慧和仔细的工作，必须认真研究分析具体情况，解决存在的高速电路问题。
一般说来主要包括三方面的设计：信号完整性设计、电磁兼容设计、电源完整性设计。
在电子系统与电路全面进入1GHz以上的高速高频设计领域的今天，在实现VLSI芯片、PCB和系统设计功能的前提下具有性能属性的信号完整性问题已经成为电子设计的一个瓶颈。
从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中有互连线引起的所有问题，它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。
传统的设计方法在制作的过程中没有仿真软件来考虑信号完整性问题，产品首次成功是很难的，降低了生产效率。
只有在设计过程中融入信号完整性分析，才能做到产品在上市时间和性能方面占优势。
对于高速PCB设计者来说，熟悉信号完整性问题机理理论知识、熟练掌握信号完整性分析方法、灵活设计信号完整性问题的解决方案是很重要的，因为只有这样才能成为21世纪信息高速化的成功硬件工程师。
信号完整性的研究还是一个不成熟的领域，很多问题只能做定性分析，为此，在设计过程中首先要尽量应用已经成熟的工程经验；其次是要对产品的性能做出预测和评估以及仿真。
高速PCB单端过孔研究超详细过程
高速PCB单端过孔研究超详细过程1.设计过程：-首先确定过孔的尺寸和位置，通常根据具体的信号传输要求和PCB板的布局来确定。
- 使用高速PCB设计软件，如Altium Designer、PADS等，进行布线设计。
在布线过程中，要考虑信号线的匹配阻抗，避免信号的反射和串扰。
-根据布线要求，在设计软件中添加过孔元件，并连接到相应的信号线、地线或电源线上。
-进行电磁仿真，确保过孔的设计符合高速信号传输要求，如控制信号的时延、上升/下降时间等。
-完成布线设计后，进行必要的校对和优化，确保设计的合理性和可行性。
2.制造过程：-根据设计文件，制作PCB板的工程图和钻孔图，包括过孔的位置和尺寸等。
-使用数控钻床进行钻孔加工，钻孔时要保持精确的位置和垂直度，避免孔径过大或过小。
-在钻孔后，使用化学镀铜或电解铜方法在孔内形成铜涂层，以提高导电性能。
-对于高速过孔，还需要进行二次镀铜处理和铜薄板处理，以保证更好的信号传输质量。
-在完成铜涂层后，进行钻孔的涂覆和烧结，以增加过孔的机械强度和稳定性。
-最后，通过电镀或喷涂等方法，将PCB板制成最终的成品。
3.检测和测试：-使用显微镜或光学测量设备，对过孔进行检测，检查孔径和涂层的一致性和均匀性。
-使用高频测试仪器，如网络分析仪、时域反射仪等，对PCB板进行信号传输测试，检验过孔的传输性能和信号完整性。
-如果发现问题，可以进行返工或调整，如重新涂层、重新钻孔等。
-最后，根据测试结果进行分析和总结，为后续的设计和制造过程提供经验和改进方向。
综上所述，高速PCB单端过孔的研究过程包括设计、制造和测试等多个环节。
在过程中，需要根据信号传输要求进行设计，使用专业软件进行布线和仿真，精确制造过程和严格的检测测试，以确保高速PCB单端过孔的质量和性能。
高速电路中过孔的仿真分析
２１ ０ ０年 ２ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎ ｏ．１
Ｆｅ ． ｂ
文章 编 号 ： ６ ２６ １ （ ０ ０ ０ — ０ ７ ０ １ ７ —４ ３ ２ １ ）１ ０ ５— ３
金 属 柱 （ ａｂ ｒｅ ） Ｖｉ ａ ｒ １ 。
２ １ 寄 生 电容 ．
大部分 电路 板 均使 用它 。 以下所说 的过孑 ，均 作 为通 Ｌ
孔考 虑 。 ¨ 从 设计 的角 度来 看 ， 个过 孔 主要 由 ２部 分组 成 ， 一 即 中间的钻 孑 （ ｒ ｌ ｏｅ 和 钻孑 周 围 的焊 盘 区 ，这 两 Ｌ ｄ ｉ ｌ） ｌｈ Ｌ
高速 电路 中过 孔 的仿 真分 析
李 文斌 ，颜 学龙
（ 林 电子 科 技 大 学 电 子 工 程 学 院 ，广 西 桂 林 桂 ５１０） ４ ０４
ห้องสมุดไป่ตู้
摘 要 ： 速 电 路设 计 已经 成 为 现 今 电路 设 计 的 主 流 ， 过 孔 设 计 在 高 速 电路 中 已显 得 日益 重 要 。 论 过 孔 的 一 高 而 讨 些概 念 和其 产 生 的 寄 生 效 应 ，并 通 过 仿 真 比较 来提 出过 孔设 计 的 几 个 原 则 。 关 键 词 ：寄 生 效 应 ； 过 孔 ； 高速 电路
中 图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｎ７ Ｏ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
在 现今 的 高速 电路 系统设 计 中 ，随着 系统 频率 和 布线密 度 的不 断提 高 ，进 而 产生一 系 列 的电路 设计 问 题 ，如信号 完整 性 、 电源 完 整性 等 。在信号 完 整性 问 题 中 ，反射 现象 是 一个很 普遍 的问题 ，造成 反 射 的一 个 重要 因素 就是 接插 件或 信 号线 的过孔 。本 文 将对 高 速 电路 设计 中的过孔 效应 进行 一定 的研 究 ，并 通过 仿 真 分析 来提 出一 些设 计过 孔应 注 意的 事项 。 １ 过 孔 的概念 过 孔 （ｉ） Ｐ Ｂ的 重要 组 成部 分 之 一 ，钻 孔 的 ｖａ 是 Ｃ 费用 通 常 占 Ｐ Ｂ制 板费 用 的 ３ 到 ４ ， Ｃ Ｏ Ｏ 因此 ， 孔 过 的设计 对 Ｐ Ｂ整 个设 计 来说 显得 十 分重 要 。简 言 之 ， Ｃ Ｐ Ｂ上 的每一 个孔 都可 以称 为过 孔 。从 作用 上 看 ，过 Ｃ 孔 可 以分成 两类 ：① 用作 各层 间 的电气 连 接 ；②用 作 器 件 的 固定 或定 位 。如果 从 工艺过 程来 说 ，这 些过 孔 般 又分 为 ３类 ， 即盲孔 （ｌ ｄｖａ 、 孔 （ ｕ ｉ ｉ） ｂｉ ｉ） 埋 ｎ ｂ ｒｅ ｖａ ｄ 和通孔 （ｈｏ ｇ ｉ） ｔｒ ｕ ｈｖａ 。盲 孔位 于印 刷线 路板 的 顶层 或 底 层表 面 ， 具有一 定 的深 度 ， 于表 层线 路 和下 面 的 内 用 层 线 路 的 连 接 ， 的 深 度 通 常 不 超 过 一 定 的 比率 （ 孔 孔 径 ） 埋 孔是 指位 于印 刷线路 板 内层 的连 接孔 ， 。 它不 会 延 伸 到线路 板 的表 面 。上 述 两类孑 都 位 于线路 板 的 内 Ｌ 层 ，层 压前 利用 通孑 成形 工 艺完成 ，在过 孑 形 成过 程 Ｌ Ｌ 中可能 还会 重叠 做好 几个 内层 。穿 过 整个 线路 板 的孔 称 为通 孔 ，可用 于 实现 内部 互连 或作 为元 件 的安装 定 位 孔 。 由于通孔 在 工艺上 易 于实 现 ，成本 低 ，所 以绝
基于HFSS的高速信号过孔仿真优化-孙岩
基于HFSS的高速信号过孔仿真优化[孙岩，艾明哲，黎铁军，胡军，曹跃胜][国防科技大学计算机学院，410073][ 摘要] 在高速信号传输中，过孔对信号质量有着重要的影响，特别是对于10Gbps以上的信号，过孔的设计往往影响整个设计的成败。
本文基于ANSYS HFSS工具，主要针对过孔残桩长度、过孔参数和回流地孔的参数进行仿真分析，找到影响过孔性能的主要因素，并根据仿真结果分别进行优化。
[ 关键词]HFSS，高速信号，过孔Simulation and Optimization of Vias on High SpeedSignals Based on HFSS[Sun Yan, Ai Mingzhe, Li Tiejun, Hu Jun, Cao Yuesheng][School of Computer Science, National University of Defense Technology, 410073][ Abstract ] In high speed signal transmission, vias make an significantly impact on signal quality. The quality of vias design will determine success or not of whole system, especially for signalrates beyond 10Gbps. This paper is based on ANSYS HFSS simulation tool and focus onvia stub length, via parameters and back flow ground vias’ parameters. By means ofsimulation, this paper will find major factors effect performance of vias, and then optimizeparameters according to the simulation results.[ Keyword ] HFSS, High Speed Signal, Via1前言过孔是PCB板上具有导电特性的小孔，是PCB中的一种重要的组成元素。
高速PCBA板中的过孔设计
在高速PCBA板设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。
为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。
比如对6-10层的内存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔。
目前技术条件下,很难使用更小尺寸的过孔了。
对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗。
2、上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCBA板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3、PCBA板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4、电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。
同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。
5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。
甚至可以在PCBA板上大量放置一些多余的接地过孔。
当然,在设计时还需要灵活多变。
前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况,也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。
特别是在过孔密度非常大的情况下,可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问题除了移动过孔的位置,我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。
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高速pcb设计和apsim仿真工具
高速PCB设计与APSIM仿真的协同工作流程
数据共享
迭代优化
通过将仿真结果反馈给设计工程师，实现高速PCB 设计与仿真的迭代优化，提高设计效率和质量。
APSIM仿真工具能够与高速PCB设计软件进 行数据共享，实现设计数据与仿真数据的无 缝对接。
协同工作
APSIM仿真工具与高速PCB设计软件之间的 协同工作流程能够缩短产品上市时间，提高 设计成功率。
信号完整性分析
在高速PCB设计中，信号完整 性是关键因素，需要进行仿真 分析以确保信号传输的稳定性
和可靠性。
电磁兼容性分析
随着信号速率的提高，电磁干 扰问题愈发突出，需要进行电 磁兼容性仿真以优化PCB布局
和布线。
热分析
高密度集成元器件在高速PCB 中产生大量热量，需要进行热
仿真以优化散热设计。
APSim仿真工具在高速PCB设计中的应用
高速PCB设计与APSIM仿真工具
目录
• 高速PCB设计基础 • APSim仿真工具介绍 • 高速PCB设计与APSIM仿真的结合 • 案例分析 • 结论与展望
01
高速PCB设计基础
PCB设计的基本概念
PCB
印刷电路板，是电子系统中的基础部件，用于实 现电子元器件之间的连接。
PCB设计
根据电路原理图和相关要求，利用设计软件进行 电路板的布局和布线的过程。
地弹
当信号线上的电流发生变化时， 地平面会产生电压波动，称为地 弹。减小地弹的方法包括增加接 地面、使用多层板等。
02
APSim仿真工具介绍
APSim仿真工具概述
APSim（Advanced Printed Circuit Board Simulator）是一款用于高速 PCB（印刷电路板）设计的仿真工具， 它能够模拟电路板中信号的传输、电 磁场和热传导等物理现象。
高速PCB设计中的过孔研究
本文将对在高速 Ｐ Ｂ设计 中过孔所带来的影响效应 Ｃ
进 行研 究 分 析 ， 并 结合 软 件 的仿 真 ，提 出过 孔 设 计
Ｐ ｉ ｅ ｒｕｔｎｏｍａｉｎ印制电路信息 ２ ０ ｏ ９ … … ｒ ｔｄＣｉ ｉＩｆｒ ｔ ｎ ｃ ｏ ０ ７Ｎ ． …
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关键词 Ｐ ＣＢ；信 号 完 整性 ；过 孔 中 图分 类 号 ：Ｔ ４ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编号 ： １ ０ — ０ ６ （ ０ ７） ９ ０ ３ — ３ Ｎ １ ０ ９ ０ ９ ２ ０ ０ — ０ １０
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１ 引 言 ）
在 高速 系 统 设 计 中 ， 随着 系 统 速 度和 布 线 密 度 的 不 断提 高 ，从 而 产 生 的一 系 列 设计 问题 ，如 信 号
cadence高速电路板设计与仿真第5版实例
Cadence高速电路板设计与仿真第5版是一本针对高速电路板设计和仿真的重要参考书籍。
本书包含了大量实例，通过对这些实例的学习和实操，读者可以更好地掌握高速电路板设计与仿真的核心知识和技术。
接下来，我们将通过对这本书第5版的实例进行深入分析，来探讨其中的一些重要内容。
一、实例一：差分传输线的设计与仿真在本书的第5版中，作者详细介绍了差分传输线的设计与仿真。
通过对这个实例的学习，读者可以学习到差分传输线的基本原理、设计方法以及仿真技术。
本书还通过具体的案例分析，详细解释了如何在实际项目中进行差分传输线的设计与仿真，以及如何应对常见的问题和挑战。
通过对这个实例的学习，读者可以获得丰富的经验和技巧，从而更好地应用到实际工程中去。
二、实例二：串扰分析与抑制技术在高速电路板设计与仿真中，串扰是一个非常重要的问题。
在第5版的实例中，作者对串扰分析与抑制技术进行了深入的讲解。
通过对这个实例的学习，读者可以了解到串扰的产生机理、分析方法以及抑制技术。
本书还介绍了一些常用的抑制技术，并通过实例分析，详细解释了如何在实际项目中应对串扰问题。
通过对这个实例的学习，读者可以获得丰富的实战经验，从而更好地解决实际项目中遇到的串扰问题。
三、实例三：高速电路板布线与阻抗控制高速电路板的布线和阻抗控制是高速信号传输中非常关键的问题。
在第5版的实例中，作者对高速电路板布线与阻抗控制进行了详细的介绍和讲解。
通过对这个实例的学习，读者可以了解到高速电路板布线的基本原理、布线技术以及阻抗控制方法。
本书还通过实例分析，详细解释了在实际项目中如何进行高速电路板布线和阻抗控制，以及如何应对常见的问题和挑战。
通过对这个实例的学习，读者可以获得丰富的经验和技巧，从而更好地应用到实际工程中去。
四、实例四：高速电路板仿真与调试在实际工程中，高速电路板的仿真和调试是非常重要的环节。
在第5版的实例中，作者对高速电路板仿真与调试进行了深入的讲解。
通过对这个实例的学习，读者可以了解到高速电路板仿真的基本原理、仿真工具和调试技术。
高速PCB信号过孔的仿真优化
现高速信号传输 要求 的前提下 ，来考虑 是否 对过孔进行背钻。
（ ）总结 四
本 文 结 合 一 个 背 板 实 例 ，运 用 三 维 场 仿 真 工 具 Ａ ｓｆ ｎｏｔ Ｈ Ｓ ，对 信 号 过 孔 的 进 行 优化 仿真 分析 。仿 真 结 果 可 以看 出， ＦＳ 在 以 上 的 三 种 优 化 方 案 中 ， 对 减 小 信 号 过 孔 的传 输 损 耗 都 有 帮 助 。其 中 ，减 少 过 孔 非走 线 层 的 焊 盘 ，改 变 过 孔 反 焊 盘 形 状 ，这 两 种 优化 方案 实现 起 来 比较 容 易 ，但 改善 效 果 不 显 著 。 采 用 背 钻 ，大 大 的减 少 了 过 孔 对 信 号 的影 响 ，但 会 增 加 加 工 成 本 。所 以 ，在 考 虑 满 足 信 号 传 输 质 量 的 条 件 下 ，来 选 择 过 孔 的优 化 方 案 。 另外 ，利 用 仿 真 的方 法 ，能 够 为 高速 Ｐ Ｂ设 Ｃ 计 提 供 重 要 的 参 照 和 建 议 ， 可 以 大 大 缩 短 设 计 周 期 和 开 发 成
艺 后 ，也 会 大 大 增 加 Ｐ Ｂ加 工 的 成 本 。所 以在 高速 Ｐ Ｂ设 计 Ｃ Ｃ
中 ， 如 果 信 号 过 孔 的残 桩 长 度 比较 大 ，在 权 衡 成 本 ， 以及 实
３ 对过孔进 行背钻 ．
由于 信 号 是 从 表 面 经 过孔 换 层 到 第 ３ 层 ， 从 第 三层 到底
一 一
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【 考文献 】 参 ［ 魏 丽 丽 ， 浩 ． 速 Ｐ Ｂ 过 孔 设 计 Ｕ． 子 质 量 ， １ 】 刘 高 Ｃ １电
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高速电路PCB过孔优化的仿真
高速电路PCB过孔优化的仿真曹小华;甘俊英;李德锋;张建明【摘要】Several optimization methods are studied for via-holes, high speed route or back drill technology is high speed backboard Stub effect. For single utilized to reduce the via-hole stub effect on signals. For difference via-holes, a pair of terra via-holes beside difference via-holes and back drill process for difference stub is used three-dimensional model is built by demonstrate that via-hole stub effect to reduce the via-hole stub way of HFSS to validate the is eliminated and the quality effect on signals. In this paper, a effectiveness. Experimental results of signal is improved.%针对高速背板的过孔Stub效应设计了几种优化方法：对单过孔，采用高速布线中换层尽量远或采用背钻工艺以减少Stub效应对信号的影响；对差分过孔，在差分过孔旁边打一对地过孔和对差分残段进行背钻处理以减少Stub效应对信号的影响．利用HFSS建立三维模型以验证方法的有效性，仿真结果表明，本文方法消除了过孔Stub效应、改善了信道的信号质量．【期刊名称】《五邑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)001【总页数】5页(P53-57)【关键词】印制电路板;过孔;短柱效应【作者】曹小华;甘俊英;李德锋;张建明【作者单位】五邑大学信息工程学院,广东江门529020;五邑大学信息工程学院,广东江门529020;江门奥成斯电子有限公司,广东江门529000;江门奥成斯电子有限公司,广东江门529000【正文语种】中文【中图分类】TP303现代高速数字电路板采用多层PCB板，要将高速信号从某层互连线传输到另一层上的互连线，需要用过孔来连接[1-3]. 信号频率低于2GHz时，过孔对连接不同层PCB板的互连线来说，提供了一个良好的桥梁，其寄生参数的影响可以忽略；但是当频率高于2GHz时，过孔的寄生电容和电感的影响就不能忽略，尤其是对宽频带的高速信号，其寄生效应更为复杂，此时过孔相当于信号在传输路径上不连续，将导致信号的反射、衰减等问题[4-6]；因此，在高速PCB电路板的设计中过孔已经成为影响信号传输质量的重要因素. 本文对单过孔、差分过孔进行了研究，设计了减少过孔Stub效应的优化技术，并用HFSS建立过孔的三维模型验证方法的有效性.研究一块18层PCB测试板4种不同类型的过孔Stub效应带来的信号完整性问题. 如图1所示的测试板，L1、L3、L5、L7、L12、L14、L16和L18层均为信号层，其余层均为地平面. 这样叠层的好处就是使每个信号层都有各自的参考平面，以利于信号高频分量的回流；另外，也可以屏蔽不同走线层间信号的相互干扰和来自外部其他信号的干扰. 测试板的每层高度通过切片分析得到.过孔的相关参数为：钻孔直径0.325 mm，孔壁铜厚18 μm，焊盘直径0.6 mm，反焊盘直径1 mm，信号引线阻抗50 Ω. 为研究不同过孔走线的特性，需要在顶层、第3层、底层走信号线. 过孔包括4种极端情况：1）Stub最长；2）Stub最短，去除Regular Pad；3）Stub最短，保留Regular Pad；4）去掉Stub. 图2a）是连接第1层和第3层信号的过孔模型. 由于信号在第3层就已经被信号线引出，所以过孔下面有很长一截Stub；图2b）、2c）的过孔连接着第1层和第18层信号层，其Stub最短；图2d）是背钻后的过孔模型，没有Stub.用HFSS对上述4种情况进行3D电磁仿真，得到如图3所示的S参数曲线. 对比可以看出，图3a）过孔的情况最糟糕，在1 GHz以下过孔传输特性满足要求，但随着频率的增加，其性能逐渐恶化，在8.175 GHz时其回波损耗与插入损耗相等，信号质量已严重恶化. 这些提醒我们，在高速设计中，应避免出现此种情况的信号换层，或在换层时要尽量使过孔Stub最短，或采用背钻工艺将过孔残段锯掉，当然也可以考虑使用盲埋孔工艺以最大限度地消除过孔的影响. 图3b）、3c）虽然没有背钻，但是因为Stub很小，其传输性能也得到改善. 10 GHz时，无Regular Pad，，；有Regular Pad，，. 这说明在去除Regular Pad后信号的过孔性能得到了一定程度的改善，但效果不明显，而从工艺角度来说保留Regular Pad对于增大过孔与PCB的粘合力、增大过孔的牢固性有一定的帮助. 图3d）是背钻的过孔，其传输系数在10 GHz时满足的要求，在10 GHz时其性能也很好，能用于高速设计. 在实际的设计中，是否需要采用背钻或盲埋孔工艺，需在成本和信号质量二者之间权衡.PCB板总线速度目前越来越高，布线越来越密，很多因素影响信号的完整性，如过孔、传输线阻抗不连续、串扰等[4-5]. 差分信号的完整性也会受到过孔的影响，在差分过孔旁边打上一对地孔，或者对差分过孔的残余部分进行背钻处理，将改善高速差分信号传输的质量.差分过孔采用的模型叠层结构和前面单过孔的叠层情况相同，板上过孔的相关参数：信号孔的孔径0.65 mm，孔壁铜厚18 μm，Pad1.2 mm，Anti_pad1.8 mm；接地孔的孔径1.1 mm，孔壁铜厚18 μm，Pad1.8 mm，Anti_pad2.6 mm；信号孔间的距离（中心）2 mm，信号孔与接地孔间距（中心）2.5 mm，差分线的线宽0.2 mm，间距（沿到沿）0.4 mm.图4a）是在HFSS中建立的普通过孔的3D模型，过孔直接从表面层打穿到背面层，差分信号从表面层通过差分过孔转到第3层. 第4层到第18层的长度全都是差分过孔残余部分的长度. 图4b）是差分过孔的S参数曲线. 由图可知，在6 GHz 时插入损耗，反射损耗；当频率达到7.5 GHz时，差分过孔性能已经严重恶化，此时反射量大于传输量，需在差分过孔旁边打地孔或采用特殊工艺来对其进行优化. S参数是频域上的函数，而数字信号是时域上的方波[6]. 最直观的研究方法是将频域上的模型转换到时域上来分析. 常用的方法是在HFSS中提取S参数模型文件，调入到Ansoft Designer中对眼图仿真. 图5是仿真得到的眼图，使用的激励信号是1 024 bit的伪随机比特流（PRBS），扫描10个序列. 从图5可知，在引入较长Stub及无接地孔时抖动比较大，眼皮较厚，差分过孔性能不理想. 如何消除过孔的Stub效应，是Gbps级高速电路设计所面临的一个问题.改善信道质量的一个简单方法是在差分过孔旁边打上地孔，从而给信号提供最近的回流路径，同时也便于阻抗控制，减少反射电流. 图6a）是在HFSS中对图4a）中的模型加上一对地孔后的模型. 地孔与差分过孔的距离是2.5 mm；地孔仅用于连接地层，本身不出线.使用测试电路，并加载激励信号为1 024 bit的PRBS，扫描10个序列，得到加上地孔后的差分过孔眼图，如图7所示. 靠近的地孔作为回流路径后，眼图得到明显改善：高度增大了很多，抖动也有所减小. 这是因为差分过孔有地孔作为参考，阻抗得到控制，降低了反射信号强度，同时有地孔作为回流路径，电磁辐射得到了控制.设计阻抗可控差分过孔还有一种有效的方法，即背钻技术. 图8a）是在HFSS中对图6a）过孔进行背钻后所建的模型，即把孔第4层到第18层的残余部分去掉，信号只流经有效通路：从第1层到第3层，以此避免长的Stub对信道产生的干扰.背钻后的S参数曲线如图8b）所示. 与图4b）和6b）对比后发现，背钻后，差分过孔的传输参数与反射参数达到最优，信道的频率响应曲线也比较平滑. 使用1 024 bit的PRBS，扫描10个序列，得到差分过孔背钻以后的差分过孔眼图，如图9所示，其眼图抖动小，差分过孔的性能得到进一步优化.本文对因背板广泛应用而带来的过孔Stub效应进行了研究，提出了减少过孔残段Stub效应的优化技术，并利用HFSS建立了过孔的三维模型，仿真结果表明了本文设计方法的正确性.【相关文献】[1] 贾硕. 印刷电路板的过孔[J]. 电子电路与贴装，2005(6), 13-14, 16.[2] 刘烨铭. 高速多板系统信号完整性建模和仿真技术研究[D]. 长沙：国防科技技术大学，2007.[3] 袁子建，吴志敏，高举. 高速PCB的过孔设计[J]. 电子工艺技术，2002, 23(4): 158-159.[4] 胡劲松. LVDS信号完整性分析及高速背板设计[D]. 南京：东南大学，2004.[5] 金炜东. 高速PCB信号完整性分析及应用[D]. 成都：西南交通大学，2006.[6]BOGATIN E. 信号完整性分析[M]. 李玉山，李丽平，译. 北京：电子工业出版社，2005.。
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文章 编 号 ：１ ０ － ３ ２（ ０ ２）０ － ０ ３０ ０ ６７ ０ ２ １ １０ ５ －５
高速 电路 Ｐ Ｂ过 孔优 化 的仿 真 Ｃ
曹 小华 ’ ，甘俊 英 ’ ，李德 锋 ，张建 明 。
（ ．五 邑大 学 信 息工程 学院 ，广 东 江 门 ５ ９ ２ ； １ ２ ０ ０ ２ ．江 门奥成 斯 电子 有限公 司，广 东 江 门 ５ ９ ０ ２ ０ ０） 摘 要 ：针 对 高速 背板 的过 孔 Ｓｕ ｔｂ效应 设计 了几种优 化 方法 ：对 单过 孔 ，采用 高速布 线 中换层 尽 量远或 采 用背钻 工艺 以减 少 Ｓｕ ｔｂ效 应对信 号的影 响 ；对差分 过孔 ，在 差分过 孔 旁边打一对 地 过孔和 对差分 残段进 行 背钻 处理 以减 少 Ｓｕ 效 应对信 号的影 响．利 用 ＨＦ Ｓ 立三 维模 型 以 ｔｂ Ｓ 建
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现代高速数 字电路板采 用多层Ｐ Ｂ ，要将 高速信号从某层互连线传输到另一层上的互连线 ， Ｃ 板
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收 稿 日期 ：２ １－ ６ ２ ０ １０ － ９ 基 金 项 目 ： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ｏ １７ ｌ７ ｏ １７ １７） 广 东 省 自然科 学基 金 资 助 项 目 Ｎ ．６ ０ ２ ２ 。Ｎ ．６ ０ ０ ６ ； （ ０ ５９ ２ ０ ０ ０ ０ ，０ ０ ０ ６ ） １ １２ ００ １０ ０ ２ ７ １８ ９ ；广 东省高等 学校 高层次人 才项 目 （ 粤教 师函 ［ ００ ９号 ） ２ １ ］７ 作 者 简介 ：曹小 华 （ ９ ４ ） １８ 一 ，男 。江 西赣 州人 ，在读 硕 士 生 ，研 究 方 向 为信 号 完整 性 处 理 ；甘俊 英 ，教 授 ， 博 士 ，硕 士 生 导 师 ，研 究 方 向 为 图像 信 息 处 理 、人 机 互 动 、 图像 识 别 等．
验 证方 法的有 效性 ，仿真 结果表 明，本文 方法 消除 了过 孔 Ｓｕ ｔｂ效应 、改善 了信道 的信号质 量．
关 键 词 ： 印 制 电 路 板 ；过 孔 ；短 柱 效 应
中图分类 号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ０
文献标 志码 ：Ａ
Ｖｉ ・ ｏ ｅＯ ｐ ｉ ａ ｍ ｕｌ ｔｏ ｆＨ ｉ ｈ Ｓｐ ｅ ｒ ｕｉ ＰＣＢｓ ａ ｈ ｌ ｔｍ ｌ Ｓｉ ａ ｉｎ ｏ ｇ ｅ ｄ Ｃｉｃ ｔ
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个 良好的桥梁 。其寄生参数 的影 响可 以忽略 ；但是 当频率高于２Ｇ ｚ 。过孔的寄生电容和 电感的 Ｈ时 影响就不能忽略 ，尤其是对 宽频带 的高速信号 。其寄生效应更为复杂 ，此 时过孔相 当于信 号在传输
路 径上 不 连 续 ，将 导 致 信 号 的 反射 、衰 减等 问题 【 １ ；因此 ，在 高 速 Ｐ Ｂ电路 板 的设 计 中过 孔 已经成 一 Ｃ
期 第 ２ 卷 第 １ ６
２ １ 正 ０２
五 邑大学学报 （ 自然科学版 ）
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