高速PCB-信号过孔的仿真优化

-42-高速PCB信号过孔的仿真优化225300【摘要】【关键词】【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（一）引言在数字系统设计中，随着布线密度与时钟频率的不断提高，信号完整性与电磁兼容等问题愈加突出，这对板级的硬件设计提出更多更高的要求。在多层PCB的高频电路（GHz以上）设计中，不得不考虑信号过孔的寄生参数对信号完整性的影响，其效应已成为制约高速板设计的关键因素之一，如处理不当可能会导致整个设计的失败。过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般来说，过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的。过孔产生的问题更多地集中于寄生电容和电感的影响。过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。而寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。在高速的电路板设计中，例如高速背板，会对信号过孔的影响考虑更多，为减小过孔的影响，提高信号质量，往往也会增加一定的成本投入。本文运用AnsoftHFSS软件，对某种背板的信号过孔进行等效模型仿真[3]，提出对过孔的优化改进方案，为高速PCB的设计提供指导的作用。（二）过孔等效模型的建立本文以一背板PCB为例，对过孔进行等效建模分析。该背板为12层电路板，厚3mm。采用FR4材质，材料的介电常数为4.1，损耗角正切值为0.02。信号过孔的钻孔直径为10mil，焊盘直径为24mil，反焊盘直径为36mil。电源地孔尺寸与信号过孔相同。信号从PCB的表层经过孔换层到第3层。信号传输速率为6.25Gbps。在HFSS软件进行3D建模，如图1所示。13D图1中，有6个走线层，信号走线宽度为7mil。信号过孔所对就的走线层都留有焊盘，过孔残桩深度接近100mil。从仿真结果可以看出，在6.25Ghz时，信号的插入损耗为-5.1873dB，回损为-2.67dB。并且8GHz时，由于过孔残桩的影响，出现了谐振点。（三）过孔模型的优化仿真在本节中，将从减少非走线信号层的焊盘、改变反焊盘的形状以及背钻（back-drill）三个方面对模型进行优化仿真。1.减少不必要的焊盘在图1模型的基础上，将非走线信号层的焊盘去掉。23D从图2的仿真结果，可以看出，在6.25Ghz时，信号的插入损耗为-3.2168dB，回损为-3.8948dB。在一定程度上，减少了信号的传输损耗，而且不会增加PCB加工中的工序，该方案在PCB加工中已经被采纳。2.改变反焊盘的形状在图2模型的基础上，将过孔在地层上的反焊盘改为图3所示的形状。33D从图3的仿真结果可以看出，在6.25Ghz时，信号的插入损耗为-2.0197dB，回损为-5.5698dB。在模型2的基础上，改变反焊盘的形状，同样可以减小信号的传输【收稿日期】【作者简介】-67-精度越差；顺序设站法由于累积误差对称，在中间点达到昀大，但其昀大值小于一般视准线法，同时，其每点精度也比一般视准线法有不同程度的提高。（三）计算实例某水库大坝为沥青砼心墙土石坝，坝顶高程51.0m，昀大坝高43.4m，坝顶长395m。河床段为可液化土层，覆盖厚度达13.0m，采用振冲碎石桩加固处理。坝基在心墙底部采用垂直防渗，即在心墙以下采用地下砼连续墙，连续墙底下采用灌浆帷幕。在大坝竣工蓄水后，坝顶水平位移采用2种方法进行观测，表2是一组观测数据，向下游为正，向上游为负。测点桩号(m)δ(mm)顺序设站法l(mm)一般视准线法l(mm)A434.07000S1360.36-14.7627.0134.28S2330.223.8958.8452.21S3300.255.6882.7376.60S4270.225.5895.3189.85S5240.283.4196.7091.13S6209.933.5391.2583.85S7180.06-2.6878.8875.21S8150.181.1871.8772.93S9120.083.6762.4358.88S1090.030.7245.6850.78S1159.06-0.6126.9735.32S1229.91-5.3210.5317.47B-11.64000将表2中的桩号、观测值δ代入式（7），可以得到方程的A矩阵、δ矩阵，使用EXCEL的规划求解或MATLAB中给定A、δ矩阵，在命令栏输入δ\Al=，即可得出l。一般视准线法和顺序设站视准线法观测的过程线如图6所示。0.0020.0040.0060.0080.00100.00120.00-50050100150200250300350400450500桩号(m)水平位移(mm)一般视准线法顺序设站视准线法6（四）结语一般视准线测量法受气候因素影响较大，同时，对于坝轴线为折线和坝长较长的视准线测量，观测精度不能保证，甚至难以进行观测。虽然规范中提出采用“每一纵排测点中增设工作基点（可用测点代替）”的方式，但是在实际工程中往往因为缺少对增设工作基点测量的设施与手段而影响了昀终的观测精度。顺序设站视准线法有效的解决了以上问题，同时借助强大的计算机通用软件EXCEL、MATLAB使观测成果得到迅速转换，为大坝安全监测的运行管理提供科学依据。【参考文献】损耗，而且在PCB的工艺上不需要增加成本，该方案也已经被采纳。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，从第三层到底层就形成了过孔的残桩。由于残桩的影响，会出现频率的谐振点。如果残桩越长，谐振点就越可能出现在低频段。因此，为了提高信号的频带，对过孔进行再次背钻，减小过孔的残桩长度，在高速PCB设计中是相当必要的。在模型2的基础上修改得到如图4背钻的等效模型，背钻深度为50mil。43D从图4中的仿真结果可以看出，在6.25Ghz时，在信号过孔的插入损耗为-0.5083,在10Ghz时，插入损耗也仅为-1.7871dB，而且谐振点也往高频段推移。可见，背钻对改善过孔的信号质量是非常显著的。但是，背钻实现起来比较困难，而且不可能把信号过孔的残桩完全钻掉，在加入背钻工艺后，也会大大增加PCB加工的成本。所以在高速PCB设计中，如果信号过孔的残桩长度比较大，在权衡成本，以及实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。（四）总结本文结合一个背板实例，运用三维场仿真工具AnsoftHFSS，对信号过孔的进行优化仿真分析。仿真结果可以看出，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PCB设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本。【参考文献】