高速SMA 过孔阻抗设计优化∗

张 弓 刘 畅 於 凌

（江南计算技术研究所 无锡 214083）

1 引言

近年来高性能网络系统对互连的带宽、延迟、可靠性要求不断提高［1～2］，链路单通道传输速率已经达到25Gbps 以上。在如此高的传输速率下，必须对信号传输通道进行信号完整分析才能保证传输稳定性［3～6］。对25+Gbps 高速串行互连系统，正式系统详细设计前进行原型测试是保证系统稳定性的必要方式［7］。SMA 接头与高频测试线是常用的原型系统高速信号连接方式。SMA 过孔虽然不是正式系统中出现，但作为原型系统的重要组成，不良的SMA 过孔设计会降低高速信号传输稳定性［8～9］，影响SerDes性能与PCB工程设计的评估。

目前业界对于过孔已有广泛研究，主要集中于封装、BGA 和连接器过孔［10～11］。文献［12～14］对SMA 过孔进行了建模，研究了25Gbps 的SMA 过孔在不同回流地孔数量下的阻抗、S 参数、眼图与抖动性能。从整个短线互连（Short Reach）通道的角度考虑，过孔损耗通常并不占据主导地位，过孔阻抗不连续带来的反射反而更可能影响信号稳定传输。目前提高过孔阻抗的方法主要是使用盲埋孔工艺与增大过孔隔离盘。在固定的PCB 厚度与层数下，使用盲埋孔替代通孔可以使钻孔孔径更小、过孔更短，进而提高过孔阻抗，但PCB 生产制造成本会大幅增加；增大过孔隔离盘可以在一定程度上提高过孔阻抗，但过大的隔离盘会使过孔走线失去参考层保护，引起走线的阻抗与串扰问题。本文分析了SMA 过孔阻抗的主要影响因素，对过孔进行3D建模，通过仿真研究了不同结构对SMA过孔阻抗的影响，最后在自制试验板上进行了阻抗测试验证。

2 过孔阻抗影响因素分析

过孔的突变阻抗主要是由过孔寄生电容与寄生电感引起。寄生电容计算公式如下：

其中D 为电地平面反焊盘直径，d 为过孔的焊盘直径，T为板厚，ε为PCB材料介电常数。寄生电感计算公式如下：

其中h为过孔长度，d为过孔直径。

在信号快速边沿的激励下，电容会呈低阻抗而寄生电感呈现高阻抗，一般信号过孔阻抗是由寄生电容与寄生电阻共同作用形成，当寄生电容效应大于寄生电阻时，过孔呈现低阻抗。

PCB 材料介电常数在确定材料种类时已经确定；为了保证互连密度，过孔长度一般略小于板厚；由于信号孔长度取决于板厚，受制于PCB加工工艺能力，信号孔钻孔半径无法无限制的缩小，除非采用盲孔等先进工艺，否则信号孔径寄生电感难以通过优化设计来改善。因此能够优化的仅有焊盘、反焊盘尺寸。另外，从过孔寄生参数的公式做定性分析，寄生电容主要取决于信号孔铜与地孔铜的距离以及信号孔周围地铜的密度，拉大信号与地之间的距离，或者减少信号孔周围地孔数量可有效降低寄生电容，提高阻抗。当过孔阻抗过高时，可减小隔离盘尺寸，增加信号过孔容性。

3 SMA过孔阻抗仿真

使用HFSS 三维建模软件［15］对不同结构的SMA过孔进行建模仿真。

信号孔半径：0.15mm，盘半径0.3mm。

地孔半径：0.225mm，盘半径0.35mm，回流地孔数量为5个。

26层板，PCB材料Dk=2.8，Df=0.0035。

信号上升时间：15ps。

3.1 不同地孔距离对比

对比地孔与信号孔不同中心距下，SMA过孔阻抗值。

地孔与信号孔中心距离：1.2mm与1.4mm。

信号孔无盘：否。

信号孔隔离盘半径：0.4mm。

背钻残桩长度：0.3mm。

信号出线层：L19。

图1 SMA过孔3D模型示意图

图2 不同信号孔与地孔中心距孔阻抗仿真对比

地孔与信号孔中心距为1.2mm 时，孔阻抗为32.6Ω；地孔与信号孔中心距为1.4mm时，孔阻抗为34.3Ω。当信号孔与地孔距离拉大，寄生电容减小，孔阻抗提高。

3.2 信号孔无盘与有盘对比

对比信号孔有盘（非功能盘）与无盘情况下，SMA过孔阻抗值。

信号孔隔离盘半径：0.4mm。

图3 是否去除非功能焊盘孔阻抗仿真对比

信号孔有盘时，孔阻抗为32.6Ω；信号孔无盘时，孔阻抗低点47.9Ω，高点51.2Ω。

信号孔使用去除非功能盘工艺，有效改善了过孔寄生电容，孔阻抗有明显提高。

3.3 不同背钻精度对比

对比信号孔不同背板残桩长度下，SMA过孔阻抗值。

背钻残桩长度：0.2mm、0.3mm、0.5mm。

地孔与信号孔中心距离：1.2mm。

信号孔无盘：否。

信号孔隔离盘半径：0.4mm。

图4 不同背钻残桩孔阻抗仿真对比

背板残桩为0.2mm 时，孔阻抗无明显低点，高点52.2Ω；背板残桩为0.3mm 时，孔阻抗低点49.4Ω，高点52.0Ω；背板残桩为0.5mm 时，孔阻抗低点47.3Ω，高点52.0Ω。当信号孔与地孔距离拉大，寄生电容减小，孔阻抗提高。综合阻抗性能与PCB加工难度，背钻残桩控制在0.3mm比较合适。

3.4 不同隔离盘尺寸对比

对信号孔不同电地层隔离盘下，SMA过孔阻抗值。

隔离盘半径：0.55mm、0.4mm、0.55/0.4mm 混合（L1-L10）。

信号孔无盘：是。

信号出线层：L19。

图5 不同隔离盘尺寸孔阻抗仿真对比

隔离盘半径统一为0.4mm 时，孔阻抗低点47.3欧，高点56.6Ω；隔离盘半径统一为0.55mm 时，孔阻抗低点48.5Ω，高点58.7Ω；使用混合半径0.4/0.55mm隔离盘时，孔阻抗低点48.7Ω，高点54.8Ω。

3.5 小结

综上，对SMA 过孔阻抗影响最大的是非功能焊盘，去除信号孔非功能盘后，孔阻抗提高15.3Ω。去除非功能盘后，长孔前段阻抗偏高呈现感性，使用双径隔离盘，适量缩减电地层隔离盘尺寸有助于提高SMA 阻抗一致性，可将SMA 长过孔阻抗控制在48.7Ω～54.8Ω内。

4 SMA过孔阻抗测试

在原型测试中，使用上节所述PCB叠层设计试验板，信号出线层为L19，使用VNA 仪器对传输通道做阻抗测试，未去除非功能盘的SMA 过孔阻抗低至约35Ω，如图6所示。

图6 试验板测试环境与测试阻抗

5 结语

本文针对高速SMA 过孔阻抗，首先定性分析了影响阻抗的因素，然后搭建过孔3D模型，通过仿真定量分析非功能盘、隔离盘尺寸、反钻残桩长度等对过孔阻抗的影响，最后通过自制试验板阻抗测试验证了仿真结果有效。该方法不仅可用于25Gbps+SMA 过孔阻抗优化设计，有效提高过孔阻抗到通道阻抗的10%以内，而且适用于厚多层PCB中的通孔结构过孔，相比盲埋孔工艺降低PCB制造成本。

接下来我们将进一步研究连接器、封装长过孔上双径隔离盘的应用效果，并制作试验板进行实物测试验证。