隨著第五代移動網(wǎng)絡的普及和信號傳輸頻率的提高，PCB中信號完整性相關(guān)問題已受到越來越多的關(guān)注。而在印制電路設計中，背鉆stub對高頻信號有很大影響。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值對應的插入損耗。通過制作測試板驗證了仿真結(jié)果，即stub長度增加會使信號完整性變差。

前言

隨著第五代移動網(wǎng)絡的普及和信號傳輸頻率的提高，PCB中信號完整性相關(guān)問題已受到越來越多的關(guān)注。在PCB設計中，通孔是連接各層線路的橋梁 ，然而實際應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，信號會在多余的銅柱上進行傳輸，這些銅柱通常被稱為stub。在高頻信號下，stub會對信號造成很大影響。

目前，業(yè)內(nèi)主要通過背鉆來解決這一問題。背鉆是指在通孔完成后進行二次鉆孔，將多余stub去除的工藝。由于加工設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長度，并不能完全達到消除stub的效果。Stub的存在會造成阻抗不連續(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，通過建模仿真可以得到S參數(shù)進行信號傳輸、反射特性的分析。根據(jù)仿真結(jié)果可以對模型進行改良從而優(yōu)化設計 。

文章基于Ansoft公司的仿真軟件HFSS 建立了PCB差分過孔的模型，設置不同stub長度得到了對應的插入損耗。制作測試板驗并通過矢量網(wǎng)絡分析儀進行信號測試，對比仿真結(jié)果驗證了stub長度增加會使信號完整性變差。

1 實驗

1.1

實驗材料與儀器

實驗材料：生益M4芯板（core）及半固化片（PP）

實驗儀器：安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀（Agilent Network Analyzer-E5071C），愛斯達自動取樣機，奧林巴斯金相顯微鏡，schmoll鉆機，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)，信號層為第三層，信號線為帶狀差分線。

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圖1 仿真結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 仿真參數(shù)設置

設置掃頻范圍為0到20 GHz，并如圖2設置8組stub，分別為信號層L3到L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21、L24對應長度為142、403、783、1378、1788、2376、2756、3126 μm。

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圖2 仿真參數(shù)設置

1.3

測試板制作

1.3.1 實驗設計

由于需要測試不同背鉆深度的信號差別，所以疊構(gòu)采用24層的設計，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

信號層：L3，參考層：L2/L4。信號孔孔徑：0.25 mm；7個接地孔為通孔，孔徑：0.25 mm；

傳輸線設計為圖4所示的帶狀差分線，，差分阻抗100 Ω。線寬：97 μm，線距：284 μm。設計8對長短差分線，線長：（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，并標記編號為（1）到（8）。

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圖4 信號線示意圖

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 樣品的制備為了準確獲取stub長度，需要制備背鉆孔截面切片以便觀察。將樣品從測試板上取下，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量各組樣品stub長度。

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長度增大，插入損耗也相應增大，當stub大于1378 μm時，信號損耗顯著增大，并且在20 GHz以內(nèi)即出現(xiàn)諧振點。過孔stub長度為237 μm、 2756 μm、3126 μm時，分別在12.5、13.5、16.5 GHz發(fā)生諧振。根據(jù)過孔模型可以建立如圖6的等效電路，其中L表示過孔傳輸線路，C1、C2表示焊盤與參考地之間的形成的等效電容結(jié)構(gòu) ， C3表示stub。信號在過孔傳輸時，stub相當于一個微型天線。由于天線尺寸越小，工作頻率（諧振頻率）越高，所以stub變長，諧振頻率會變小從而影響信號傳輸。

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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 測試板驗證與分析

圖7所示為金相顯微鏡中觀察測量出8組樣品的stub長度。由表1，可知stub實際的長度與預期的設計值有出入，這是由于加工設備精度以及板厚公差等因素所造成度誤差。

表1 Stub長度對比表

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圖7 切片金相圖

圖8為測試板8組差分線在0到20 GHz的插入損耗對比圖，可以看到stub越短插入損耗越小。（0~5）GHz插損受stub長度的影響相對較小，在信號頻率為5 GHz時，各組樣品之間插損最大相差0.046 dB/cm。5 GHz開始，stub較長的4組樣品插損已經(jīng)開始顯著下降，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)并沒由出現(xiàn)諧振點，stub = 1442 μm時插損在高頻已開始經(jīng)顯著下降，說明諧振點已經(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 測試板插入損耗圖

可以看出與實際測試板的插損曲線相比，插損變化的大體趨勢一致，損耗均隨stub變長而增加。但由于仿真模型為理想模型，線路、孔銅表面均為光滑，所以信號損失較小，對應的插損值也相應變小，stub較長的幾個諧振點也隨之后移。但是仿真結(jié)果仍可以指導PCB結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化。

在印制電路板設計中，回波損耗值越小則表明信號傳輸損耗越小。圖9為測試板回波損耗，可以看出，回波損耗均大體表現(xiàn)出上升的趨勢。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，回損出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，可能與傳輸信號發(fā)生諧振有關(guān)。當頻率增大到20 GHz時，Stub長度為141 μm樣品的回波損耗值為19.49 dB，說明信號功率的衰減較小，有利于高頻信號的傳輸。

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圖9 測試板回波損耗

3 結(jié)論

文章在對24層電路板背鉆結(jié)構(gòu)進行信號仿真然后制作測試板加以驗證，對于信號頻率較低（Frequency＜3 GHz）的電路板，stub長度對信號完整性影響相對較小，背鉆精度要求也可降低同時能節(jié)約成本。然而信號傳輸頻率較高時，較長的stub對應的諧振頻率點較低，這會顯著影響信號完整性。所以對于高頻電路板不僅需要做背鉆處理，而且對背鉆精度要求較高。

作者：何知聰 王守緒 周國云 何 為 孫玉凱 陳德福 羅毓瑤 陳苑明 徐成剛 何雪梅

來源：2021春季國際PCB技術(shù)/信息論壇 產(chǎn)品檢測與可靠性