过孔特性阻抗分析及其对信号质量的影响.pdf

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1、第2期2015年4月机电元件ELECTROMECHAl吼CALCoMPoNENTSVoL35No．2Apr．2015过孔特性阻抗分析及其对信号质量的影响莫剑冬1，谢永超2，王建甫2(1．上海航天设备制造总厂，上海，200245；2．中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)摘要：随着信息技术的高速发展，越来越多的系统都在使用差分信号进行传输，差分特性阻抗的匹配度对差分信号在传输链路上的传输质量有很大的影响。本文主要阐述了过孔处特性阻抗的影响因素及其对差分信号的影响，用来指导连接器的印制板过孔及连接器的设计。关键词：特性阻抗；印制板；过孔；连接器Doi：10．3969／j．iss

2、n．1000—6133．2015．02．008中图分类号：TN784文献标识码：A文章编号：1000—6133(2015)02—0032—051前言2·1篡鼍感和电容的电路里，对交流电一个高速传输链路系统主要包含了芯片、子板、连接器、母板，如图1所示。目前，对于印制板和连接器的阻抗控制已经有了较多的研究，随着研究的深入和相关工艺的进步，印制板走线和连接器内部的特性阻抗与系统的匹配度越来越好。但是，对于连接器的印制板封装处的阻抗匹配性关注较少，而此处又极易造成阻抗不匹配。随着系统信号传输速率的提高，这种不匹配给信号质量带来的影响越来越明显，越来越严重。母板图1高速传输链路系统2定义为了让

3、大家更好的理解本文，首先简要介绍本文中涉及到的几个术语。收稿日期：2015—02—16所起的阻碍作用叫做阻抗。差分对对差分信号的阻抗，即差分特性阻抗。如果两条信号传输线离得足够远，那么，两条传输线可近似于无耦合，无耦合时的差分特性阻抗z埘=2Z。。其中，z。为单端信号的特性阻抗；当把两条信号传输线拉的越来越近时，它们的边缘电场和磁场就会相互覆盖，之间的耦合程度也会越来越强，差分特性阻抗也会逐渐减小。2．2印制板过孔为了让印制板的各层之间或者元器件和走线之间实现电气连接，需要在印制板上钻一些具有导电特性的小孔，这就称为过孔。它包括筒状孔壁(Barrel)、焊盘(pad)和反焊盘(anti

4、—pad)。过孔的筒孔壁是为了保证印制板各层之间的电气连接而对钻孔进行填充的导电材料；焊盘的作用把孔壁和元件或者走线相连；反焊盘就是指过孔焊盘和周围不需要进行连接的金属之间的间隔。印制板过孔剖面示意图如图2所示。第2期莫剑冬等：过孔特性阻抗分析及其对信号质量的影响33反岸耋i臣D2一埠重{茬一Di巷毳i轻D4一一‘。产管rU粼缀’Ili嚣㈣图2印制板过孔剖面示意图(两层板)3过孔特性阻抗的影响因素3．1过孔间距对差分特性阻抗的影响可将传输差分信号的一对过孔理解为平行的双圆杆型传输模型。差分特性阻抗计算公式：磊=罢·n睁屑闩㈢·，陲{式中，磊表示差分特性阻抗，单位为Q；

5、s表示两圆杆的中

6、心距离；d表示圆杆的直径；占，圆杆周围材料的介电常数。由公式(3．1)可知，在平行的双圆杆型传输模型中，在其它因素不变的情况下，过孔间的距离S和差分特性成正比，即当增大孔间距时，差分特性阻抗变大，反之，差分特性阻抗减小。3．2钻孔尺寸和焊盘尺寸对差分特性阻抗的影响钻孔和焊盘外形为圆柱形，转化物理模型，可以等效为平行的双圆杆传输模型。平行的双圆杆传输模型的差分特性阻抗计算公式见公式(3．1)。由公式可知，在平行的双圆杆型传输模型中，差分特性阻抗值和圆杆直径大小成反比，即减小钻孔或焊盘直径可增大差分特性阻抗值，反之，可减小差分特性阻抗值。3．3反焊盘尺寸对差分特性阻抗的影响反焊盘是指的是负

7、片中铜片与焊盘的距离。焊盘铜片、反焊盘图3反焊盘示意图反焊盘处的横截面可以理解为同轴线模型的横截面，如图4所示。dJD(i)(j图4同轴线横截面模型同轴线特性阻抗的计算公式如(3．2)所示。其中8。是内外导体间介质的介电常数，D为外导体内径，d为内导体外径。zo=芳n(詈)q￡T、”t(3．2)从上面的公式可以得出以下结论：当其它条件不变时，外导体内径D和特性阻抗成正比，即当D增大时，特性阻抗也随之增大，反之，特性阻抗值减小。即理论上，反焊盘直径和特性阻抗成正比。3．4背钻对特性阻抗的影响在传输线中常常会出现分支，如果分支很短，就称为短桩。当信号离开驱动器后，遇到了分支点，这时信号遇到

8、的是两段传输线的并联阻抗，此阻抗较低，所以信号负反射回到源端，另一部分信号将沿两个分支继续传播。当桩线上的信号到达桩线末端时，它将反射回分支点，再从分支点反射到桩线末端，就这样在桩线中来回震荡。同时，每机电元件2015正当与分支点发生交互时，桩线中的部分信号都将回到源端和远端。每个交界处都是一个反射点。过孔处也有可能存在短桩效应，为了减小短桩，避免由短桩造成的阻抗低点，将过孔处多余的金属焊盘和金属孔壁钻掉，我们称之为背钻。背钻前后过孔状态如图5