0 引言

    隨著高速串行信號速率不斷提高，在以太網協議方面，從熟悉的吉赫茲以太網到10 G-KR標準，到目前主流的100 G-KR4以太網，25/28 G-VSR的設計，再到目前56 G-PAM4，甚至112 G設計已經慢慢登上舞臺。速率的不斷提高，信號波長也隨之迅速縮短，對PCB通道來說，上面的一個小小的過孔，尺寸相對信號波長來說，從最初的毫不起眼，到現在和信號波長平起平坐（56 GHz信號的波長在100 mil左右）。在這種情況下，過孔本身的設計帶來的阻抗不匹配會對整個通道產生非常大的影響。過孔的影響慢慢從忽略不計到現在幾乎決定著通道設計的成敗。而另一方面，對于過孔結構阻抗的優化設計一直是一個難點，小小的一個過孔結構里有不少可以優化的部分。因此如何能夠在保證仿真精度的情況下高效地對過孔結構進行優化成為大家追求的一個熱點話題。

1 PCB過孔介紹

1.1 過孔類型介紹

    過孔是多層PCB的重要組成部分，起著連接不同層信號的作用。從工藝制程上來說，PCB過孔一般分為3類，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)，如圖1所示。

    從信號完整性方面來說，我們知道，過孔會有它自身的寄生電容和寄生電感，近似的計算公式分別如式(1)、式(2)：

其中，過孔反焊盤直徑為D₂，過孔自身焊盤的直徑D₁，PCB的厚度TD，板基材介電常數ε，過孔長度h，過孔鉆孔孔徑d。

    過孔的寄生電容主要會減緩信號的上升時間，衰減高頻分量。而寄生電感影響更大，會增加信號間的串擾，在電源鏈路中，過孔的寄生電感還會降低去耦電容的效果，削弱濾波的作用。而它們的組合通常會導致TDR阻抗的下降，成為鏈路中一個很突出的阻抗不匹配點，嚴重影響高速信號傳輸質量。

1.2 過孔信號完整性影響介紹

    由于成本等因素限制，目前業內還是以通孔的使用率最高，下圖是一個常見的信號通孔的三維模型（cadence sigrity軟件提取）。通常會存在著下面的優化點，如圖2所示。

    從無源參數來驗證，沒優化的過孔和得到較好優化的過孔插入損耗對比如圖3所示。

    以28 G/56 GVSR的標準而言，如果按照上圖未優化的結果，就一個過孔足以把整個通道的裕量消耗殆盡。如圖4所示。

2 仿真介紹及仿真測試校準

    通過測試和仿真兩種手段獲得所需要的DUT的無源參數，其中仿真使用業界比較普遍的TRL校準的形式進行去嵌，并采用Cadence的3D-EM軟件進行仿真。

    本文通過對過孔進行很深入的研究，制作了不同過孔結構的DUT進行分析。其中選取部分代表性的測試結果如下。

2.1 過孔數量測試驗證

    不同過孔數量的測試驗證如圖5所示。

    3種情況回損和插損結果對比如圖6所示。

    從測試結果可見1個較長Stub的過孔在高頻時的危害較大，4個過孔與2個過孔帶來的損耗差異很小。

2.2 是否進行過孔反焊盤處理的對比驗證

    是否進行過孔反焊盤處理的模型對比如圖7所示。對比結果如圖8所示。

    可見是否進行過孔的反焊盤挖空處理對鏈路影響還是比較大的。

    除了通過測試的方法得到模型的S參數之外，本文還使用3D-EM軟件仿真，進行和測試結果的對比，結果如圖9。

    可見，3D-Em仿真結果與實測結果能很好的對應，證明了該軟件的仿真精度是比較理想的。

3 HSSO提高仿真效率

    在驗證了該軟件的仿真精度后，cadence還在今年新推出名為HSSO的流程，專門針對過孔結構進行非常快速的掃描優化，極大地提高仿真和設計的效率。

    HSSO(High Speed Structure Optimizer)，這個流程集成在3D-EM軟件中，使用全三維的有限元算法進行求解分析。相對于傳統的過孔優化流程，如圖10所示，HSSO的主要優點包括：

    (1)可以從Allegro軟件中截取部分layout，直接導入3D-EM進行仿真。對于有些復雜的結構如BGA出線、過孔陣列的建模，可以明顯提高效率。

    (2)智能識別layout的結構，參數化焊盤、反焊盤、Route Keepout、線寬、線長，在仿真時實現參數化掃描。

    (3)提供了RL/IL的mask，自動生成仿真報告，幫助用戶快速挑選合適的結構參數。

    (4)仿真的互連結構可以導入Allegro中更新或者替換掉優化前的layout，而且整個互連結構是作為一個symbol，避免了layout時被錯誤修改從而導致layout實現和仿真結構不一致的問題。

    從實驗板截取了過孔陣列區域差分出線方式的例子導入HSSO流程進行仿真優化，如圖11所示。

    這個例子中，對過孔反焊盤大小、BGA區域的走線寬度、BGA區域以外的走線寬度等參數進行了掃描。

    然后掃描得到每個case的S參數，如圖12所示。

    然后可以設置模板對上述所有的case進行篩選，找出符合要求的case，如圖13所示。

    生成仿真報告，可以看到，Case1的結果滿足S參數模版要求，如圖14所示。

    原始設計(實線)和優化后結構(虛線)的回波損耗和TDR對比，如圖15所示。

    最后還可以把Case11仿真優化好的結構導回Allegro，替換原來的過孔結構，如圖16所示。

4 結論

    (1)越往高速發展，過孔的影響越大，而優化過孔的難度也變得越大。

    (2)通過仿真測試的對比，驗證了cadence的3D-EM能提供精確的過孔仿真。

    (3)cadence仿真軟件的HSSO模塊能對過孔結構進行快速和精確的仿真優化，大大提高了過孔優化設計的效率。

參考文獻

[1] 吳均，王輝，周佳永.Cadence印刷電路板設計：Allegro PCB Editor設計指南.電子工業出版社.

[2] 鐘章民，肖定如，王輝.Cadence高速電路設計——Allegro Sigrity SI/PI/EMI設計指南.電子工業出版社.

[3] 70126_OIF_112G_Panel_Complete_Slide_Deck_DesignCon17.

[4] SLIDES_10_PAM4_Signaling_for_56G_Serial_Zhang_1（DesignCon17）.

[5] An-Yu Kuo.PowerSI-3DFEM Theory，Accuracy & Performance.

作者信息：

吳  均1，黃  剛1，莊哲民2

（1．深圳市一博科技有限公司，廣東 深圳518057；2．Cadence深圳分公司，廣東 深圳518000）