发布时间：2021-09-10所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要随着第五代移动网络的普及和信号传输频率的提高，PCB中信号完整性相关问题已受到越来越多的关注。而在印制电路设计中，背钻stub对高频信号有很大影响。文章基于仿真软件HFSS建立了不同背钻深度的模型，得到了不同stub值对应的插入损耗。通过制作测试板验
摘要随着第五代移动网络的普及和信号传输频率的提高，PCB中信号完整性相关问题已受到越来越多的关注。而在印制电路设计中，背钻stub对高频信号有很大影响。文章基于仿真软件HFSS建立了不同背钻深度的模型，得到了不同stub值对应的插入损耗。通过制作测试板验证了仿真结果，即stub长度增加会使信号完整性变差。
关键词PCB;背钻;插入损耗;HFSS;信号完整性
0前言
随着第五代移动网络的普及和信号传输频率的提高，PCB中信号完整性相关问题已受到越来越多的关注。在PCB设计中，通孔是连接各层线路的桥梁[1]，然而实际应用中并不是所有层都需要互连，如果常规通孔不加以处理，信号会在多余的铜柱上进行传输，这些铜柱通常被称为stub。在高频信号下，stub会对信号造成很大影响。
目前，业内主要通过背钻来解决这一问题。背钻是指在通孔完成后进行二次钻孔，将多余stub去除的工艺。由于加工设备精度以及板厚公差等因素的限制，目前的背钻技术只能尽量减小stub长度，并不能完全达到消除stub的效果。Stub的存在会造成阻抗不连续，从而产生反射、谐振[2]等，随着频率的升高，带来的影响越大[3]。
ANSOFTHFSS是目前比较常用的高频三维结构电磁仿真工具，通过建模仿真可以得到S参数进行信号传输、反射特性的分析。根据仿真结果可以对模型进行改良从而优化设计[4]。
文章基于Ansoft公司的仿真软件HFSS建立了PCB差分过孔的模型，设置不同stub长度得到了对应的插入损耗。制作测试板验并通过矢量网络分析仪进行信号测试，对比仿真结果验证了stub长度增加会使信号完整性变差。
1实验
1.1实验材料与仪器
实验材料：生益M4芯板(core)及半固化片(PP)
实验仪器：安捷伦矢量网络分析仪(AgilentNetworkAnalyzer-E5071C)，爱斯达自动取样机，奥林巴斯金相显微镜，schmoll钻机，AnsoftHFSS仿真软件，Si9000QuickSolver。
1.2背钻结构仿真
1.2.1模型建立在HFSS软件中建立如图1所示的24层电路板结构，信号层为第三层，信号线为带状差分线。
1.2.2仿真参数设置
设置扫频范围为0到20GHz，并如图2设置8组stub，分别为信号层L3到L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21、L24对应长度为142、403、783、1378、1788、2376、2756、3126μm。
1.3测试板制作
1.3.1实验设计
由于需要测试不同背钻深度的信号差别，所以叠构采用24层的设计，板厚控制在(3.30±0.33)mm，具体叠构如图3所示。
信号层：L3，参考层：L2/L4。信号孔孔径：0.25mm;7个接地孔为通孔，孔径：0.25mm;
传输线设计为图4所示的带状差分线，，差分阻抗100Ω。线宽：97μm，线距：284μm。设计8对长短差分线，线长：(254/50.8)mm，分别钻穿L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21，剩余一组不做背钻处理，并标记编号为(1)到(8)。
1.3.2制作流程
内层图形转移→AOI→压合→钻孔→电镀→图形电镀→镀锡→背钻→碱蚀→AOI防焊→化镍金→成型
1.3.3样品的制备
为了准确获取stub长度，需要制备背钻孔截面切片以便观察。将样品从测试板上取下，先后用180#，400#，2400#，4000#金相水砂纸打磨，再用抛光液处理。然后把打磨好的样品清洗干净，在金相显微镜下观察并测量各组样品stub长度。
2结果与讨论
.1仿真结果与分析
图5为仿真模型的插入损耗，随着stub长度增大，插入损耗也相应增大，当stub大于1378μm时，信号损耗显著增大，并且在20GHz以内即出现谐振点。过孔stub长度为237μm、2756μm、3126μm时，分别在12.5、13.5、16.5GHz发生谐振。根据过孔模型可以建立如图6的等效电路，其中L表示过孔传输线路，C1、C2表示焊盘与参考地之间的形成的等效电容结构[5]，C3表示stub。信号在过孔传输时，stub相当于一个微型天线。由于天线尺寸越小，工作频率(谐振频率)越高，所以stub变长，谐振频率会变小从而影响信号传输。
2.2测试板验证与分析
图7所示为金相显微镜中观察测量出8组样品的stub长度。由表1，可知stub实际的长度与预期的设计值有出入，这是由于加工设备精度以及板厚公差等因素所造成度误差。
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图8为测试板8组差分线在0到20GHz的插入损耗对比图，可以看到stub越短插入损耗越小。(0~5)GHz插损受stub长度的影响相对较小，在信号频率为5GHz时，各组样品之间插损最大相差0.046dB/cm。5GHz开始，stub较长的4组样品插损已经开始显著下降，并且stub为(1932、2359、2766、2934)μm的四组样品分别在16.4GHz，13.9GHz，11.8GHz，10.8GHz发生谐振。stub小于1442μm的样品在(0~20)Ghz内并没由出现谐振点，stub=1442μm时插损在高频已开始经显著下降，说明谐振点已经非常接近20GHz。Stub较短的三组样品在20GHz的插损最大相差0.14dB/cm。
可以看出与实际测试板的插损曲线相比，插损变化的大体趋势一致，损耗均随stub变长而增加。但由于仿真模型为理想模型，线路、孔铜表面均为光滑，所以信号损失较小，对应的插损值也相应变小，stub较长的几个谐振点也随之后移。但是仿真结果仍可以指导PCB结构的设计优化。
在印制电路板设计中，回波损耗值越小则表明信号传输损耗越小。图9为测试板回波损耗，可以看出，回波损耗均大体表现出上升的趋势。Stub为(1932、2359、2766、2934)μm的样品分别在16.4GHz，13.9GHz，11.8GHz，10.8GHz频率下，回损出现转折点，可能与传输信号发生谐振有关。当频率增大到20GHz时，Stub长度为141μm样品的回波损耗值为19.49dB，说明信号功率的衰减较小，有利于高频信号的传输。
3结论
文章在对24层电路板背钻结构进行信号仿真然后制作测试板加以验证，对于信号频率较低(Frequency<3GHz)的电路板，stub长度对信号完整性影响相对较小，背钻精度要求也可降低同时能节约成本。然而信号传输频率较高时，较长的stub对应的谐振频率点较低，这会显著影响信号完整性。所以对于高频电路板不仅需要做背钻处理，而且对背钻精度要求较高。——论文作者：何知聪王守绪周国云何为孙玉凯陈德福罗毓瑶陈苑明徐成刚何雪梅
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