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        SerDes鏈路中的過孔設計

        2023-05-24 06:04:12劉婷婷張子春
        無線互聯(lián)科技 2023年5期
        關鍵詞:過孔眼圖

        劉婷婷 張子春

        摘要:隨著SerDes鏈路信號傳輸速率的提升,PCB復雜度增加,信號越高走線和過孔設計對其正確傳輸?shù)挠绊懢驮酱?,因此走線和過孔設計的研究就越發(fā)重要。文章通過搭建SerDes鏈路四級過孔走線模型,通過仿真得出,過孔的引入導致SerDes鏈路阻抗突變,碼間串擾嚴重,設計中應盡量避免過孔的使用,如無法避免可以采用背鉆和消盤處理,在一定范圍內(nèi)提高SerDes鏈路阻抗一致性,提升信號質(zhì)量。

        關鍵詞:過孔;阻抗;眼圖

        中圖分類號:U285.7文獻標志碼:A

        0 引言

        電子設備發(fā)展趨于小型化和功能化,印刷電路板 PCB(印刷電路板)上信號傳輸速率越來越高,走線密度和PCB層數(shù)不斷增加。特別是在SerDes鏈路設計中,鏈路結構復雜,信號經(jīng)多級PCB板傳輸,層數(shù)多達20層,鏈路傳輸信號速率高,常用的PCIE3.0達到了8 Gbps。此外,SerDes鏈路走線距離長,通常跨越3級連接器。針對SerDes鏈路設計的復雜性,在PCB走線過程中經(jīng)常需要引入大量的過孔,這使得SerDes鏈路過孔設計成為影響信號完整性的重要因素。對于低速電路,PCB板的過孔可以看作是簡單的金屬孔,僅起著電氣連通的作用。但是,在SerDes鏈路中,過孔就不能僅當作金屬孔,必須考慮過孔的焊盤、反焊盤以及樁線等帶來的寄生效應影響以及損耗。因此,SerDes鏈路系統(tǒng)設計,尤其是PCB進行板級和系統(tǒng)級設計時,必須考慮過孔的寄生效應引起的信號完整性問題。本文主要針對SerDes鏈路中過孔進行寄生參數(shù)的分析,并在此基礎上對SerDes鏈路中的過孔進行優(yōu)化設計。

        1 SerDes鏈路過孔寄生參數(shù)分析

        過孔是指PCB板上鉆的小孔,用于連接PCB板的不同疊層。在SerDes鏈路PCB的設計中,由于布局布線空間的限制,經(jīng)常會用到過孔。典型的過孔由金屬柱、焊盤和反焊盤組成。由于過孔的不連續(xù)性結構,當其在低頻情況下,人們完全可以將其看作一條普通的導線。然而,在高頻的情況下,過孔則會產(chǎn)生寄生電容和電感[1]。隨著信號頻率的升高,過孔的寄生參數(shù)影響越來越明顯[2]。如果處理不當就可能引起嚴重的SI、PI以及EMI問題。本研究進一步說明在高速信號的走線過程中過孔寄生參數(shù)對信號質(zhì)量的影響。

        過孔主要包括金屬柱、焊盤和反焊盤,本文采用1個14 層的PCB板,過孔直徑是10mil,焊盤半徑是20mil,反焊盤半徑是30mil,過孔的組成如圖1所示。

        在SerDes鏈路中,過孔設計較低速鏈路更加復雜,例如:差分信號本身的扇出孔以及周邊的回流地孔。過孔焊盤、非功能性焊盤、反焊盤以及樁線[3]等物理結構產(chǎn)生的寄生效應對信號質(zhì)量影響非常顯著。因此,本文針對SerDes鏈路中的過孔開展深入的研究。

        2 SerDes鏈路過孔設計及仿真分析

        本文對差分過孔進行優(yōu)化設計以及仿真分析,通過建立高速信號經(jīng)過4對差分過孔的SerDes鏈路的走線模型,對過孔進行背鉆以及消盤設計,得到SerDes鏈路插入損耗以及回波損耗的曲線,通過TDR時域反射計觀察不同設計下的SerDes鏈路阻抗特性。

        2.1 過孔設計及建模

        在軟件中建立4級過孔的SerDes鏈路走線模型。該模型是1個16層的PCB 板,板材采用TU-752,走線層分別3層、5層和12層,相鄰參考層均為地層,與相鄰層介電常數(shù)分別為4和4.07,差分線線寬4mil,差分線線間距12mil,過孔孔徑10mil,焊盤孔徑18mil,反焊盤孔徑30mil。

        在差分過孔走線模型基礎上,本研究結合過孔寄生參數(shù)分析,對影響SerDes鏈路阻抗特性的過孔進行背鉆和消盤設計。在常規(guī)PCB板制造中,按照鉆孔文件對PCB板進行鉆孔處理,之后對PCB板進行沉銅工藝,使得過孔金屬柱連通導電。在SerDes鏈路走線過程中除走線層外,其他層無用的過孔因為其自身的寄生參數(shù)效應,會影響鏈路的阻抗一致性,采用背鉆方法鉆掉過孔無用的孔層,可以減少信號傳輸過程中的分叉。過孔除金屬柱外,焊盤也會影響SerDes鏈路阻抗一致性,在背鉆基礎上對過孔多余焊盤進行消盤處理,去除非功能焊盤的存在,減少高速信號傳輸路徑上的阻抗分叉,進一步提高SerDes鏈路傳輸一致性。

        2.2 無源鏈路仿真

        本文仿真得到4級過孔的SerDes鏈路走線模型下,1MHz~45 GHz頻段SerDes鏈路插入損耗曲線如圖2a所示,回波損耗曲線如圖2b所示,鏈路的阻抗特性如圖2c所示。

        在圖2a中,實線為差分信號線經(jīng)過4級過孔后的插入損耗曲線圖,長虛線為采用背鉆處理后的插入損耗曲線圖,短虛線為采用背鉆和消盤處理后的插入損耗曲線圖。從圖2a可以看出,隨著信號頻率的不斷提升,過孔插入損耗也越小,采用背鉆處理可以有效增大插入損耗,利于信號高質(zhì)量傳輸。

        在圖2b中,實線為差分信號線經(jīng)過4級過孔后的回波損耗曲線圖,長虛線為采用背鉆處理后的回波損耗曲線圖,短虛線為采用背鉆和消盤處理后的回波損耗曲線圖。從圖2b可以看出,隨著信號頻率的不斷提升,過孔回波損耗也越大,采用背鉆和消盤處理可以有效降低回波損耗,利于信號高質(zhì)量傳輸。

        圖2c實線為經(jīng)過4級過孔SerDes鏈路的阻抗特性圖,長虛線為采用背鉆處理后的SerDes鏈路的阻抗特性圖,短虛線為采用背鉆和消盤處理后的SerDes 鏈路的阻抗特性圖。從圖2c中可以看出,差分過孔對SerDes鏈路設計中的信號傳輸影響較大,它會導致鏈路阻抗的突變。采用背鉆處理后,鏈路阻抗突變位置和幅度減少。采用背鉆處理可以進一步減少因SerDes鏈路過孔而引起的阻抗突變。

        2.3 電氣特性仿真

        僅通過無源仿真結果難以全面反映SerDes鏈路的傳輸特性。在無源鏈路基礎上增加驅(qū)動和接收模型,采用眼圖來衡量SerDes鏈路的電氣特性,從而更為全面的評估鏈路對信號傳輸質(zhì)量的影響。數(shù)據(jù)傳輸速率為10 GHz,上升時間和下降時間為2.5 ps,圖3為信號經(jīng)過SerDes鏈路傳輸?shù)慕邮斩藀in腳處的眼圖。

        經(jīng)過眼圖對比分析,經(jīng)過4級過孔SerDes鏈路的接收端pin腳處眼圖模糊不清,無法識別眼高眼寬大小,不滿足電氣特性的要求。采用背鉆處理后的SerDes鏈路的接收端pin腳處眼圖依然不夠清晰,無法識別眼高眼寬大小。采用背鉆和消盤處理后的SerDes鏈路的接收端pin腳處眼圖清晰,能準確確定眼高眼寬。SerDes鏈路中連續(xù)4級過孔帶來的阻抗突變和損耗,導致高頻信號鏈路傳輸受限,信號波形在時域上展寬,從而出現(xiàn)了嚴重碼間串擾,眼圖混疊,影響信號質(zhì)量。采用背鉆和消盤處理后可以有限提升鏈路阻抗一致性,提升信號傳輸質(zhì)量,進而SerDes鏈路接收端眼圖的眼高、眼寬及眼圖質(zhì)量變好。

        3 結語

        本文通過PCB過孔的組成對SerDes鏈路中過孔的寄生參數(shù)進行分析,推導出影響過孔SerDes鏈路阻抗一致性的因素,在此基礎上建立4級過孔的SerDes鏈路走線模型,研究了背鉆和消盤兩種改善過孔性能的方法。基于仿真軟件對搭建SerDes鏈路進行無源鏈路以及電氣特性仿真,對過孔分別進行背鉆和背鉆消盤處理,進行鏈路的插入損耗、回波損耗、阻抗特性以及眼圖仿真,觀察背鉆消盤處理對于SerDes鏈路傳輸特性的改善效果。對比發(fā)現(xiàn),SerDes鏈路中引入過孔導致鏈路阻抗突變,信號傳輸出現(xiàn)多重反射,信號強度出現(xiàn)衰減,信號碼間串擾嚴重,信號的完整性變差。在實際的設計中,應盡量避免過孔的使用,如無法避免,可以采用背鉆和消盤處理在一定范圍內(nèi)提高SerDes鏈路阻抗一致性,提升信號質(zhì)量。

        參考文獻

        [1]尚文亞,劉豐滿,王海東,等.PCB布線中的過孔和電容效應分析和結構優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術,2015(16):110-114.

        [2]候瑩瑩,關丹丹.高速PCB中的過孔設計研究[J].電子與封裝,2009(8):25-28.

        [3]陳瓊蓮.基于PCB信號完整性分析與設計[J].科技信息,2009(3):487-488.

        (編輯 王永超)

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