SerDes鏈路中的過孔設計

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的影響就越大，因此走線和過孔設計的研究就越發重要。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，在一定范圍內提高SerDes鏈路阻抗一致性，提升信號質量。

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層數不斷增加。特別是在SerDes鏈路設計中，鏈路結構復雜，信號經多級PCB板傳輸，層數多達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?？缭?級連接器。針對SerDes鏈路設計的復雜性，在PCB走線過程中經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鏈路系統設計，尤其是PCB進行板級和系統級設計時，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的分析，并在此基礎上對SerDes鏈路中的過孔進行優化設計。

1 SerDes鏈路過孔寄生參數分析

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對信號質量的影響。

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］等物理結構產生的寄生效應對信號質量影響非常顯著。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化設計以及仿真分析，通過建立高速信號經過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，利于信號高質量傳輸。

在圖2b中，實線為差分信號線經過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，利于信號高質量傳輸。

圖2c實線為經過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量的影響。數據傳輸速率為10 GHz，上升時間和下降時間為2.5 ps，圖3為信號經過SerDes鏈路傳輸的接收端pin腳處的眼圖。

經過眼圖對比分析，經過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，從而出現了嚴重碼間串擾，眼圖混疊，影響信號質量。采用背鉆和消盤處理后可以有限提升鏈路阻抗一致性，提升信號傳輸質量，進而SerDes鏈路接收端眼圖的眼高、眼寬及眼圖質量變好。

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?；诜抡孳浖Υ罱⊿erDes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。對比發現，SerDes鏈路中引入過孔導致鏈路阻抗突變，信號傳輸出現多重反射，信號強度出現衰減，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提高SerDes鏈路阻抗一致性，提升信號質量。

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化［J］.現代電子技術，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）