如何在高速数字电路中设计盲孔/埋孔

随着大规模和超大规模集成电路在电路系统中的应用越来越多，由于芯片集成规模的扩大、体积的缩小、管脚的增加和越来越多的增加，电路板呈现出向多层化和复杂化的发展趋势。的速度。大多数高速多层PCB通过通孔实现层之间的连接。但是，对于不从上到下循环的电连接，可能会出现多余的通孔短截线，从而严重影响PCB传输质量。因此，对于一些高性能、高要求的高速数字系统而言，冗余短截线的影响是不容忽视的。基于成本与性能平衡的尝试，盲孔/埋孔设计应运而生，以有效避免冗余短截线效应，提高系统传输质量。

本文以盲埋孔设计为研究对象，通过建模仿真，主要分析了盲埋孔、焊盘和反焊盘的过孔直径参数对S参数、阻抗连续性等信号特性的影响，并提供实用指导。 - 高速 PCB 盲孔/埋孔设计。

盲埋孔主要参数及性能指标

对于高速数字电路多层PCB，一个平面的互连线和另一平面的互连线之间的高速信号连接需要过孔。通孔实际上是连接不同平面之间的布线的电导体。根据PCB设计的不同，过孔可分为通孔、盲孔和埋孔，如图1所示。

• 贯穿整个PCB的通孔过孔用于层间互连布线或作为元件的定位过孔。

• 盲孔，不循环贯穿整个PCB，负责PCB内层和表面平面布线之间的连接。

• 埋孔仅负责PCB 内层之间的连接。从PCB的外观上是无法直接看到的。

过孔不能被视为电连接，必须考虑它们对信号完整性的影响。因此，更好地了解过孔的架构设计对高速数字电路性能的影响，有利于出色地解决信号完整性问题，从而优化高速数字系统的设计和高速信号的传输质量。可以改进。

在高速电路中，过孔的等效电气模型如图2所示，其中C1、C2和L分别指过孔的寄生电容和电感。

基于此模型，高速电路中的所有过孔都会对地产生寄生电容。寄生电容可由下式计算：

在这个公式中，过孔的寄生电容等于对地反焊盘的直径、过孔焊盘的直径、基板材料的介电常数和PCB的厚度。在高速数字电路中，过孔的寄生电容会使信号的上升时间变慢或下降，从而降低电路速度。对于特性阻抗为Z0的传输线，寄生电容与信号上升时间的关系可以用下式表示。

当高速信号通过过孔时，也会产生寄生电感。在高速数字电路中，过孔寄生电感带来的影响大于寄生电容。寄生电感可按下式计算。

在这个公式中，过孔的寄生电感等于过孔的长度和过孔的直径。此外，寄生电感引起的等效阻抗也不容忽视，等效阻抗与寄生电容与信号上升时间的关系可由下式表示。

根据上述公式，过孔的电性能随设计参数而变化。过孔直径、长度、焊盘和反焊盘的变化导致高速电路中的阻抗不连续，对信号完整性影响很大。本文对信号特征的分析在于指标S11（回波损耗）和S21（插入损耗）。当插入损耗的衰减程度小于-3dB时，采用有效带宽来判断和分析盲/埋孔的信号传输性能。此外，TDR仿真可以用来分析阻抗不连续引起的反射。

盲埋孔建模仿真与结果分析

为研究盲埋孔对高速PCB信号特性的影响，本文采用HFSS软件设计了一个8层PCB模型，如下图3所示。

在这个PCB中，第1层到第2层、第4层到第5层、第7层到第8层都是信号层；第三层为电源层；第六层为地层；每层厚度为0.2mm（8mil）；介电材料为FR4；介电系数为4。信号线的走线宽度为0.1mm（4mil），厚度为0.13mm（1.1mil）。在仿真中，信号的上升时间设置为20ps，最高扫描频率设置为100GHz。

• 盲埋孔和通孔对信号特征影响的比较

当需要信号线从第一层循环到第五层时，可以采用盲孔进行连接。盲孔半径设置为0.1mm（4mil），长度设置为0.81mm（32mil）。

为了比较起见，通孔连接也被设计为通孔半径为0.1mm。在此条件下，通孔的stub长度为0.6mm。

根据仿真结果，当频率在40GHz~80GHz范围内时，盲孔（S11）的回波损耗参数仅为4dB~7dB。然而，当频率在40GHz至80GHz范围内时，通孔(S11)的回波损耗参数仅为4dB至10dB。当频率为76GHz时，盲孔(S21)的插入损耗参数最大。然而，当频率为52GHz时，通孔(S21)的插入损耗参数最大。在保证插入损耗小于-3dB的情况下，盲孔的工作带宽为22GHz，而通孔的工作带宽仅为15GHz。

在特性阻抗方面，盲孔的特性阻抗变化类别在46~52之间，而通孔的特性阻抗变化类别在42~53之间，也就是说盲孔的传输线更好阻抗连续性。因此，基于S参数的稳定性和特性阻抗TDR的变化，可以说明在顶层与内层或底层与内层之间的信号线连接方面，盲孔比通孔具有更好的传输质量。层。

当需要信号线从第二层循环到第五层时，可以采用埋孔连接。埋孔半径设为0.1mm，长度设为0.57mm。 Thru-hole via 也用于比较，其半径为 0.1mil，第一层和第二层之间的冗余 stub 长度为 0.23mm，而第五层和第八层之间的冗余 stub 长度为 0.6mm。

根据仿真结果，当频率在40GHz～80GHz范围内时，埋孔(S11)的回波损耗参数只有4dB～8dB，变化比较平滑。然而，当频率在40GHz至80GHz范围内时，通孔(S11)的回波损耗参数仅为4dB至10dB。尤其是频率为32GHz时，衰减瞬间变为13dB，影响传输的稳定性。当频率为77GHz时，埋孔(S21)的插入损耗参数最大。然而，当频率为54GHz时，通孔(S21)的插入损耗参数最大。在保证插入损耗小于-3dB的情况下，埋孔工作带宽为32GHz，而通孔工作带宽仅为20GHz。

此外，埋孔的特性TDR变化在41.8到52之间，而通孔的特性TDR变化在37.5到52之间，这意味着埋孔具有更好的传输线阻抗连续性。通孔。因此，基于S参数的稳定性和特性阻抗TDR的变化，可以说明在内层之间的信号线连接方面，埋孔比通孔具有更好的传输质量。

• 盲/埋孔直径、焊盘和反焊盘对信号特性的影响

为了研究盲/埋孔直径、焊盘和反焊盘对信号特性的影响，可以固定盲/埋孔的焊盘和反焊盘尺寸。盲埋孔半径初始值设置为0.1mm，在0.1mm到0.175mm范围内变化。

根据仿真结果可以看出，当盲孔半径在0.1mm到0.175mm的范畴内变化时，阻抗的变化在6到13.5的范畴内，随着阻抗不连续程度的增加，导致插入损耗范围 S21 的增加。当频率在20GHz到60GHz范围内时，最大衰减达到1.7dB。同时，当埋孔半径在4mil到7mil的范围内变化时，阻抗的变化在10到17的范围内，阻抗不连续程度增加，导致插入损耗S21的范围增加。当频率在20GHz~60GHz范围内时，最大衰减达到1.6dB。

在盲孔和反焊盘直径不变的情况下，盲孔/埋孔焊盘半径初始值为0.2mm，在0.2mm到0.28mm范围内变化。

根据仿真结果可以看出，当盲孔焊盘半径在0.2mm到0.28mm的范围内变化时，阻抗的变化在6.5到10.5的范围内，导致范围增加插入损耗 S21。此外，最大衰减增加了2dB。同时，当埋孔焊盘半径在0.2mm到0.28mm的范畴内变化时，阻抗变化在10.5到15.5的范畴内，阻抗不连续程度增加，导致插入损耗范围增加S21。此外，最大衰减增加了3.2dB。

在盲埋孔直径和焊盘尺寸不变的情况下，反焊盘初始值设置为0.3mm，在0.3mm到0.375mm的范围内变化。

根据仿真结果可以看出，当盲孔反焊盘尺寸在0.3mm到0.375mm的范畴内变化时，阻抗的变化在6.5到5.5的范畴内，导致度数下降阻抗不连续性和插入损耗范围 S21。此外，最大衰减增加了3.2dB。同时，当埋孔反焊盘尺寸从 0.3mm 到 0.375mm 的范畴内变化时，阻抗的变化在 10 到 7.5 的范畴内，导致阻抗不连续程度和插入损耗范围减小 S21 .此外，最大衰减增加了3dB。

结论

本文以通过HFSS建立盲埋孔8层PCB模型，比较盲埋孔和通孔的S参数和特性阻抗TDR。可以得出结论，盲/埋孔比通孔具有更小的插入损耗和更好的阻抗不连续性。在插入损耗小于-3dB的情况下，盲孔/埋孔比通孔具有更宽的工作带宽。

本文还分析了通孔直径、焊盘和反焊盘等参数对盲/埋信号特性的影响。随着盲埋孔直径和焊盘尺寸的增加，信号插入损耗的衰减相应缩小，阻抗不连续程度增加。但随着盲埋孔反焊盘尺寸的增大，信号插入损耗的衰减减小，阻抗不连续性也相应减小。

如果插入损耗小于-3dB，有效工作带宽达到20GHz，盲孔半径不大于0.175mm，埋孔半径不大于0.23mm；盲孔焊盘不大于0.25mm，埋孔焊盘不大于0.275mm；盲孔反焊盘不小于0.25mm，埋孔反焊盘不小于0.23mm。

如果阻抗变化范围控制在±10%以内，盲埋孔半径均应不大于0.125mm；盲孔焊盘不大于0.25mm，埋孔焊盘不大于0.175mm；盲孔反焊盘不小于0.275mm，埋孔反焊盘不小于0.4mm。

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