隨著第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及和信號(hào)傳輸頻率的提高，PCB中信號(hào)完整性相關(guān)問(wèn)題已受到越來(lái)越多的關(guān)注。而在印制電路設(shè)計(jì)中，背鉆stub對(duì)高頻信號(hào)有很大影響。文章基于仿真軟件H FSS建立了不同背鉆深度的模型，得到了不同stub值對(duì)應(yīng)的插入損耗。通過(guò)制作測(cè)試板驗(yàn)證了仿真結(jié)果，即stub長(zhǎng)度增加會(huì)使信號(hào)完整性變差。

前言

隨著第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及和信號(hào)傳輸頻率的提高，PCB中信號(hào)完整性相關(guān)問(wèn)題已受到越來(lái)越多的關(guān)注。在PCB設(shè)計(jì)中，通孔是連接各層線路的橋梁 ，然而實(shí)際應(yīng)用中并不是所有層都需要互連，如果常規(guī)通孔不加以處理，信號(hào)會(huì)在多余的銅柱上進(jìn)行傳輸，這些銅柱通常被稱為stub。在高頻信號(hào)下，stub會(huì)對(duì)信號(hào)造成很大影響。

目前，業(yè)內(nèi)主要通過(guò)背鉆來(lái)解決這一問(wèn)題。背鉆是指在通孔完成后進(jìn)行二次鉆孔，將多余stub去除的工藝。由于加工設(shè)備精度以及板厚公差等因素的限制，目前的背鉆技術(shù)只能盡量減小stub長(zhǎng)度，并不能完全達(dá)到消除stub的效果。Stub的存在會(huì)造成阻抗不連續(xù)，從而產(chǎn)生反射、諧振 等，隨著頻率的升高，帶來(lái)的影響越大 。

ANSOFT HFSS是目前比較常用的高頻三維結(jié)構(gòu)電磁仿真工具，通過(guò)建模仿真可以得到S參數(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸、反射特性的分析。根據(jù)仿真結(jié)果可以對(duì)模型進(jìn)行改良從而優(yōu)化設(shè)計(jì) 。

文章基于Ansoft公司的仿真軟件HFSS 建立了PCB差分過(guò)孔的模型，設(shè)置不同stub長(zhǎng)度得到了對(duì)應(yīng)的插入損耗。制作測(cè)試板驗(yàn)并通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，對(duì)比仿真結(jié)果驗(yàn)證了stub長(zhǎng)度增加會(huì)使信號(hào)完整性變差。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1

實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：生益M4芯板（core）及半固化片（PP）

實(shí)驗(yàn)儀器：安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent Network Analyzer-E5071C），愛(ài)斯達(dá)自動(dòng)取樣機(jī)，奧林巴斯金相顯微鏡，schmoll鉆機(jī)，Ansoft HFSS仿真軟件，Si9000 QuickSolver。

1.2

背鉆結(jié)構(gòu)仿真

1.2.1 模型建立

在HFSS軟件中建立如圖1所示的24層電路板結(jié)構(gòu)，信號(hào)層為第三層，信號(hào)線為帶狀差分線。

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圖1 仿真結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)置掃頻范圍為0到20 GHz，并如圖2設(shè)置8組stub，分別為信號(hào)層L3到L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21、L24對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為142、403、783、1378、1788、2376、2756、3126 μm。

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圖2 仿真參數(shù)設(shè)置

1.3

測(cè)試板制作

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于需要測(cè)試不同背鉆深度的信號(hào)差別，所以疊構(gòu)采用24層的設(shè)計(jì)，板厚控制在（3.30±0.33）mm，具體疊構(gòu)如圖3所示。

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圖3 疊構(gòu)示意圖

信號(hào)層：L3，參考層：L2/L4。信號(hào)孔孔徑：0.25 mm；7個(gè)接地孔為通孔，孔徑：0.25 mm；

傳輸線設(shè)計(jì)為圖4所示的帶狀差分線，，差分阻抗100 Ω。線寬：97 μm，線距：284 μm。設(shè)計(jì)8對(duì)長(zhǎng)短差分線，線長(zhǎng)：（254/50.8）mm，分別鉆穿L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21，剩余一組不做背鉆處理，并標(biāo)記編號(hào)為（1）到（8）。

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圖4 信號(hào)線示意圖

1.3.2 制作流程

內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移→AOI→壓合→鉆孔→電鍍→圖形電鍍→鍍錫→背鉆→堿蝕→AOI防焊→化鎳金→成型

1.3.3 樣品的制備為了準(zhǔn)確獲取stub長(zhǎng)度，需要制備背鉆孔截面切片以便觀察。將樣品從測(cè)試板上取下，先后用180#，400#，2400#，4000#金相水砂紙打磨，再用拋光液處理。然后把打磨好的樣品清洗干凈，在金相顯微鏡下觀察并測(cè)量各組樣品stub長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真結(jié)果與分析

圖5為仿真模型的插入損耗，隨著stub長(zhǎng)度增大，插入損耗也相應(yīng)增大，當(dāng)stub大于1378 μm時(shí)，信號(hào)損耗顯著增大，并且在20 GHz以內(nèi)即出現(xiàn)諧振點(diǎn)。過(guò)孔stub長(zhǎng)度為237 μm、 2756 μm、3126 μm時(shí)，分別在12.5、13.5、16.5 GHz發(fā)生諧振。根據(jù)過(guò)孔模型可以建立如圖6的等效電路，其中L表示過(guò)孔傳輸線路，C1、C2表示焊盤(pán)與參考地之間的形成的等效電容結(jié)構(gòu) ， C3表示stub。信號(hào)在過(guò)孔傳輸時(shí)，stub相當(dāng)于一個(gè)微型天線。由于天線尺寸越小，工作頻率（諧振頻率）越高，所以stub變長(zhǎng)，諧振頻率會(huì)變小從而影響信號(hào)傳輸。

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圖5 仿真模型插入損耗

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圖6 等效電路圖

2.2 測(cè)試板驗(yàn)證與分析

圖7所示為金相顯微鏡中觀察測(cè)量出8組樣品的stub長(zhǎng)度。由表1，可知stub實(shí)際的長(zhǎng)度與預(yù)期的設(shè)計(jì)值有出入，這是由于加工設(shè)備精度以及板厚公差等因素所造成度誤差。

表1 Stub長(zhǎng)度對(duì)比表

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圖7 切片金相圖

圖8為測(cè)試板8組差分線在0到20 GHz的插入損耗對(duì)比圖，可以看到stub越短插入損耗越小。（0~5）GHz插損受stub長(zhǎng)度的影響相對(duì)較小，在信號(hào)頻率為5 GHz時(shí)，各組樣品之間插損最大相差0.046 dB/cm。5 GHz開(kāi)始，stub較長(zhǎng)的4組樣品插損已經(jīng)開(kāi)始顯著下降，并且stub為（1932、2359、2766、2934）μm的四組樣品分別在16.4 GHz，13.9 GHz，11.8 GHz，10.8 GHz發(fā)生諧振。stub小于1442 μm的樣品在（0~20）Ghz內(nèi)并沒(méi)由出現(xiàn)諧振點(diǎn)，stub = 1442 μm時(shí)插損在高頻已開(kāi)始經(jīng)顯著下降，說(shuō)明諧振點(diǎn)已經(jīng)非常接近20 GHz。Stub較短的三組樣品在20 GHz的插損最大相差0.14 dB/cm。

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圖8 測(cè)試板插入損耗圖

可以看出與實(shí)際測(cè)試板的插損曲線相比，插損變化的大體趨勢(shì)一致，損耗均隨stub變長(zhǎng)而增加。但由于仿真模型為理想模型，線路、孔銅表面均為光滑，所以信號(hào)損失較小，對(duì)應(yīng)的插損值也相應(yīng)變小，stub較長(zhǎng)的幾個(gè)諧振點(diǎn)也隨之后移。但是仿真結(jié)果仍可以指導(dǎo)PCB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在印制電路板設(shè)計(jì)中，回波損耗值越小則表明信號(hào)傳輸損耗越小。圖9為測(cè)試板回波損耗，可以看出，回波損耗均大體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。Stub為（1932、2359、2766、2934） μm的樣品分別在16.4 GHz，13.9 GHz，11.8 GHz，10.8 GHz頻率下，回?fù)p出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可能與傳輸信號(hào)發(fā)生諧振有關(guān)。當(dāng)頻率增大到20 GHz時(shí)，Stub長(zhǎng)度為141 μm樣品的回波損耗值為19.49 dB，說(shuō)明信號(hào)功率的衰減較小，有利于高頻信號(hào)的傳輸。

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圖9 測(cè)試板回波損耗

3 結(jié)論

文章在對(duì)24層電路板背鉆結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)仿真然后制作測(cè)試板加以驗(yàn)證，對(duì)于信號(hào)頻率較低（Frequency＜3 GHz）的電路板，stub長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)完整性影響相對(duì)較小，背鉆精度要求也可降低同時(shí)能節(jié)約成本。然而信號(hào)傳輸頻率較高時(shí)，較長(zhǎng)的stub對(duì)應(yīng)的諧振頻率點(diǎn)較低，這會(huì)顯著影響信號(hào)完整性。所以對(duì)于高頻電路板不僅需要做背鉆處理，而且對(duì)背鉆精度要求較高。

作者：何知聰 王守緒 周?chē)?guó)云 何 為 孫玉凱 陳德福 羅毓瑤 陳苑明 徐成剛 何雪梅

來(lái)源：2021春季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇 產(chǎn)品檢測(cè)與可靠性