一種基于高速通信板卡的特殊過孔設計方案

作者/應霞，科銳安網絡（上海）有限公司

一種基于高速通信板卡的特殊過孔設計方案

作者/應霞，科銳安網絡（上海）有限公司

本文介紹了在高速通信PCB中的一種特殊的過孔設計方案。針對通信板卡的特點，研究和分析了如何設計一種過孔，使之既能適用于高速SERDES信號，又能滿足大電流的需求。在本文中根據實際項目情況，設計了一種符合實際工程需要的特殊過孔，以達到既能保證高速信號的信號完整性，又能改善大功率芯片的電源完整性的目的。

過孔；高速PCB；信號完整性；電源完整性

引言

近年來隨著移動通信技術的飛速發展，高速電路設計在通信板卡中的應用也越來越廣泛，而過孔在這些高速多層板卡設計中起著重要的作用。過孔（via），是連接多層PCB中不同層走線的重要電導體。從工藝制程上來看，過孔結構主要分為三類，包括通孔（through via）、盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。注，微孔（laser via）是一種特殊的盲孔。

通孔，顧名思義是指貫穿整個PCB所有層的過孔，這種過孔可以實現內部任意層互聯，由于在工藝上容易實現，所以成本較低廉，應用廣泛。盲孔，一般位于PCB的頂層或底層表面，具有一定深度，但又不打穿PCB，用于連接表層線路和內層線路，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑比)。埋孔，是指位于印刷線路板內層的連接孔，它不會延伸到PCB的表面。盲孔和埋孔這兩類孔，都位于線路板的內層，在層壓前利用通孔成型工藝完成，在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內層，需要進行多次層壓，所以成本相對較高。通常，盲埋孔技術用于一般的移動終端，如手機，GPS導航等便攜式設備。

對于通信板卡來說，通常具有板厚較厚，面積較大等特點，所以在一般的設計中，通常選用通孔作為主要的過孔。本文通過設計了一種符合實際工程需要的特殊過孔，用來改善其在高速PCB設計中出現的諸多問題。在高速、高密度的通信板卡設計中，給出一種優化的過孔的解決方案。

1. 項目背景及面臨的挑戰

目前，我們所設計的通信板卡，主要是傳輸28Gbps以上速率的高速信號，PCB的板層厚度在24—28層。由于機械結構等限制條件，需要控制板卡厚度在3.5mm以下。根據以上條件，在設置疊層的時候，通常把高速信號層設置為0.5oz（17.5um），電源層設置為2oz（70um）。

在高速通信板卡上所面臨的問題主要有兩大類。即，信號完整性問題和電源完整性問題。本設計的主要目的就是通過優化過孔設計方案，盡可能地解決和改善這兩個問題。

1.1 信號完整性問題

在高速PCB上，通常選用的傳輸線銅箔厚度一般為0.6mil（0.5oz）左右，而過孔內電鍍的銅箔厚度，一般為1mil，所以展開來看，過孔內的銅箔厚度大于傳輸線的銅箔厚度。由此可以看出，在傳輸線上，由于過孔的存在，整條傳輸線鏈路上的銅箔厚度是不一致的，在過孔區域，我們可以理解為有一個阻抗突變的現象，導致整條傳輸線上阻抗不連續，這樣也會引起信號反射等一系列影響信號完整性的問題。

另外，過孔本身會產生寄生電容和寄生電感。過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度。而寄生電感通常會削弱旁路電容的作用，從而減弱整個電源系統的濾波效用。所以，對于高速高密度的通信板卡，設計一種合理的過孔是非常重要的事情。

1.2 電源完整性問題

我們知道，在通孔的作用下，實際上整個板卡的所有層都會被打穿，這里就包括我們所說的電源層。目前，在通信板卡中的主芯片都需要承載巨大的業務量，所以，各芯片的功耗也越來越大。以Boardcom公司的某款芯片為例，其滿負荷運行時的功耗為93W，其額定電壓為0.9V，那么其最大電流為103A。我們知道，實際上流經PCB上的電流是與銅箔的截面積有關的，即銅箔的厚度乘以線寬。

目前在我們的設計中，PCB上的電源層所用的銅箔厚度為2oz，也就是70um，它乘以電源層銅皮的寬度就是我們所要求的截面積。由于，在傳統板卡上選用通孔結構，勢必導致BGA下面的大片銅箔被打穿，形成一個個孔洞，可以想象，BGA下面整個電源平面被打的支離破碎，無法保證大電流順利通過，電源的直流壓降必然會受到很大的影響。同時，在這些過孔與過孔的間隙中所通過的電流，其電流密度必然是上升的，還會導致銅箔的溫升問題。

2. 過孔優化解決方案

隨著通信板卡速率的不斷提升，如何更好地解決信號完整性和電源完整性問題成為了迫在眉睫的任務。在本文中，我們提出了一種特殊的過孔方式，即N+N過孔方式，來改善高速通信板卡性能。以28層的PCB板卡為例，即以用一個1—14層的頂層盲孔和一個15—28層的底層盲孔，分別進行一次層壓，再把兩個子板再次壓合在一起的技術。其結構如圖1所示。

圖1 N+N過孔結構

2.1 信號完整性改善

對于高速信號來說，為了保證其信號完整性，通常我們會采用背鉆技術（Back Drill）。背鉆，簡單來說就是把通孔中所遺留的stub鉆掉的技術。在多層板的制作中，例如28層板的制作，我們需要將第1層連到第12層，通常我們先鉆出通孔，然后沉銅。這樣做成的通孔是第1層直接連到第28層，實際我們只需要第1層連到第12層，第13到第28層由于沒有線路相連，像一個柱子。這個多余出來的柱子就叫做stub，它會影響信號的質量，在高速電路中會引起信號完整性問題。為保證信號質量，我們會選擇高速的信號過孔做背鉆，即從反面鉆掉這些多余的stub。而N+N過孔結構的好處在于，大部分的信號（用了1—14層或15—28層盲孔的）天然的就少掉了一半的stub。這樣可以減少一部分背鉆的層階，從而降低一部分成本。同時，這種N+N過孔結構，縮短過孔的長度，過孔越長其寄生電容和寄生電感也越大，所以選用N+N的過孔，能夠有效的改善信號完整性的問題。

2.2 電源完整性改善

目前，在通信板卡中的主芯片都需要承載巨大的業務量，因此芯片的電流也達到了100A以上。那么如何保證電源的完整性，使得電源的直流壓降在允許范圍之內成為了我們要重點討論的問題。如果還是沿用原先的通孔技術，那么在BGA下的各個電源層毫無疑問是會全部打穿的。但是，如果運用N+N的過孔技術，那么我們只需要打穿上半層（1—14層），而保留下半層（15—28）的完整平面即可。如圖2所示。在圖a)顯示的是上半層（1—14層）的電源平面，從圖中可以看到電源平面完全被打穿，過孔與過孔之間的間隙非常的小，在如此窄的銅皮寬度下所承載的電流也必然非常小。在圖b）中顯示的是下半層（15—28層）的電源平面，從圖a)和圖b)對比來看，N+N的過孔技術使下半層的電源層盡可能地保留了完整的平面，使其能承載更大的電流，從而有效地改善了電源完整性的問題，保證了主芯片的直流壓降在一個合理的范圍之內。

圖2 N+N過孔結構下上、下半層電源平面圖

3. 結語

本文詳細闡述了如何合理地設計一種特殊過孔，使之能有效地改善高速通信板卡的信號完整性和電源完整性的問題。首先，介紹了目前通用的過孔技術；然后，詳細闡述了項目背景以及在該項目條件下工程設計所面臨的挑戰；最后，通過特殊的過孔設計，N+N過孔設計方案，有效地優化和改善了高速通信板卡的信號完整性和電源完整性問題。

＊ [1]高速數字系統中的信號完整性及實施方案[J]. 張紹軍,黃振.電子技術應用. 2002(11)

＊ [2]高速PCB的互連綜合[J]. 曹躍勝.計算機工程與設計. 2000(05)