盲埋孔对高速PCB板信号特性的影响

盲埋孔对高速PCB板信号特性的影响

廖惜春;屈峰成

【摘要】As the operating frequency increases and signal rise time reduces, Blind via and buried via cause impedance discontinuities resulting in signal refiections 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.%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。

【期刊名称】《印制电路信息》

【年(卷),期】2014(000)001

【总页数】5页(P45-49)

【关键词】信号完整性;高速数字电路;盲孔;埋孔

【作者】廖惜春;屈峰成

【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

【正文语种】中文

【中图分类】TN41

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。

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。

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。

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。

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。