HFSS高频过孔仿真优化（一）

弗朗索瓦

　　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。


　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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