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HFSS高频过孔仿真优化(一)

2016-9-7 10:48| 发布者: 弗朗索瓦| 查看: 2030| 评论: 0|原作者: 不详|来自: ANSYS电磁场微信公众账号

摘要:   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。过孔在PCB各层之间或者元件和走线之间实现电气连接。由于过孔的特殊结构,使得信号传输路径出现结构上的不连续。在高速信号传输中,这种不连续 ...
  1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。过孔在PCB各层之间或者元件和走线之间实现电气连接。由于过孔的特殊结构,使得信号传输路径出现结构上的不连续。在高速信号传输中,这种不连续可能会对信号质量造成非常大的影响,甚至可能导致高速信号传输的失败。因此,在高速信号传输的设计中,需要对过孔进行专门的设计和优化。

  PCB中常见的过孔主要由孔壁、焊盘和反焊盘组成。过孔的孔壁是为了保证PCB各层之间的电气连接而对钻孔进行填充的导电材料;焊盘的作用把孔壁与元件或走线相连;反焊盘是指过孔焊盘和负片中铜皮之间的间隔。最普通的过孔类型是通孔,之所以称为通孔,是因为它穿过PCB板上的所有层,孔中间填入焊料,任何 一个层都可以通过焊盘进行必要的电气连接。图1表示了一个使用HFSS建立的基本通孔结构模型。

30.webp.jpg
  图1 过孔基本结构模型

  在过孔的设计中,有三个影响信号质量的重要因素需要仔细确定:一是过孔的残桩(Stub)长度,二是过孔的大小和位置等参数,三是回流地过孔的数量和位置。 过孔残桩可能导致10Gbps以上的信号严重退化,特别是可能产生严重的谐振和反射;过孔的大小和位置等参数决定了过孔寄生参数的大小,其直接影响过孔的特性;回流地过孔的数量和位置对回流路径的影响很大,它也对过孔的性能有着重要的影响。

  2单端信号过孔仿真

  针对XXX单板而言,1.6mm板厚四层叠层,power和GND层距离较大。该项目叠层结构如下:
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  图2 XXX单板叠层结构


  先考虑单个过孔(差分过孔类似)仿真,考虑没有进行任何处理,仿真模型如下:
32.webp.jpg
  图3 单个过孔仿真模型


  仿真条件:信号过孔为1608,反焊盘为16mil,Layer1入Layer4出,内层焊盘去除,回流地过孔距离信号过孔200mil,用于连接Layer2和Layer3层,仿真结果如下:
33.webp.jpg
  图4 地过孔距信号过孔200mil仿真结果


  针对图4仿真条件,改变反焊盘半径为24mil,其他保持不变,仿真结果如下:
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  图5 反焊盘半径24mi仿真结果

  图4和图5对比可以发现,两者插入损耗相差不大,在5.01GHz时,16mil反焊盘半径插入损耗为-2.19dB,24mil反焊盘半径插入损耗为-2.24dB,前者略好。对于不同的叠层反焊盘宽度可能存在不同的效果,需要针对不同的叠层仿真进行确定。

  针对图4仿真条件,信号过孔内层焊盘添加,保持其它不变,仿真结果如下:
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  图6 添加信号过孔内层焊盘仿真结果

  通过图4和图6对比可以发现,两者插入损耗相差不大,在5.01GHz时,有内层焊盘插入损耗为-2.18dB,无内层焊盘插入损耗为-2.19dB,有内层焊盘略好。对于不同的叠层反焊盘宽度可能存在不同的效果,需要针对不同的叠层仿真进行确定。

  高速信号的回流地过孔对信号质量也有很大影响。本项研究将确认最佳信号孔与地过孔的距离,使得地过孔的配置参数最优。针对图4仿真条件,改变地过孔距信号孔距离,保持其它不变,仿真结果如下:
36.webp.jpg
  图7 地过孔距信号孔不同距离仿真结果

  从上图可以看出,地过孔距离信号过孔距离为24mil(地过孔尺寸也为1608时,两者相距24mil,此时地过孔焊盘刚好达到信号过孔反焊盘边沿)时具有最好的插入损耗,单个过孔插入损耗仅为-0.70dB,与地过孔距离信号过孔200mil时,插入损耗减小了2倍,而在高速信号设计过程中,损耗是一个很重要的指标,过大的损耗将导致ISI问题,使眼图闭合。

  建议

  对单端信号过孔换层时,需要有地过孔紧挨信号过孔放置提供回流路径,地过孔焊盘边沿刚好接触到信号过孔反焊盘边沿为最优。

转自:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... 2XZpa34zIbZwDv1a#rd

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