过孔基础知识及差分过孔设计

简介：
本课程讲解过孔的基本概念与类型，并深入介绍差分过孔的设计原则和方法，帮助工程师优化电路板性能。 在高速印刷电路板（PCB）设计过程中，过孔是连接不同层面的关键组件，但它们对信号完整性的影响一直是一个挑战。由于需要将顶层的元器件与内层的走线相连，因此使用过孔不可避免。然而，在内层走线上进行布线时，电磁辐射和串扰较低，从而提高了高速信号传输的质量。 一个基本的过孔结构包括四个主要部分：信号通孔、残桩、焊盘以及隔离环。其中，信号通孔是用于在不同层面之间传递电信号的金属管道；未使用的过孔剩余部分称为残桩；连接到传输线上的圆形垫片被称为焊盘；而防止电源或接地层短路的圆环空隙则被称作隔离环。 这些组件共同决定了过孔的电气特性，通常表现为电容-电感-电容（C-L-C）形式。为了优化性能，在设计时需要在尺寸、布局以及其他电路元件之间进行权衡以减少对信号完整性的负面影响。 差分过孔是一种特别为高速差分信号传输而设计的结构类型，要求线路A和B保持高度一致以维持平衡状态。其中的一个关键因素是考虑两个过孔之间的间距大小，因为如果它们过于接近，则可能导致额外的互耦合电容产生。因此，在进行布局时需要谨慎计算。 对于超过10Gbps的数据传输速度来说，传统设计中的过孔残桩可能会对信号完整性造成严重威胁。为了解决这一问题，可以采用背面钻孔PCB制造工艺来显著减少未使用部分的长度，并且将寄生电容和电感降至最低水平。 为了进一步优化性能，可以通过3D电磁（EM）场解算程序来进行精确计算并进行仿真测试以满足所需的阻抗与带宽要求。在设计差分过孔时，需要确保线路A和B之间的对称性，并采用GSSG结构来提供接地返回路径。 完成设计后还需通过一系列测试验证其性能，包括使用差分时间域反射计（TDR）测量差分阻抗、网络分析仪评估带宽以及高速示波器检测数据眼图等方法。这些步骤有助于比较不同工艺下的过孔在实际应用中的表现差异，并确保在高传输速率下实现最佳的信号质量和性能水平。