本文介紹了在高速通信PCB中的一種特殊的過孔設(shè)計(jì)方案。針對通信卡的特點(diǎn)，研究和分析了如何設(shè)計(jì)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(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況，設(shè)計(jì)了一種符合際工程需要的特殊過孔，以達(dá)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。

　　近年來隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，高速電路設(shè)計(jì)在通信板卡中的應(yīng)用也越來越廣泛，而過孔在這些高速多層板卡設(shè)計(jì)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(dǎo)體。從工藝制程上來看，過孔結(jié)

　　構(gòu)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(gè)PCB 所有層的過孔，這種過孔可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部任意層互聯(lián)，由于在工藝上容易實(shí)現(xiàn)，所以成本較低廉，應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(gè)內(nèi)層，需要進(jìn)行多次層壓，所以成本相對較高。通常， 盲埋孔技術(shù)用于一般的移動(dòng)終端，如手機(jī)，GPS 導(dǎo)航等便攜式設(shè)備。對于通信板卡來說，通常具有板厚較厚，面積較大等特點(diǎn)，所以在一般的設(shè)計(jì)中，通常選用通孔作為主要的過孔。本文通過設(shè)計(jì)了一種符合實(shí)際工程需要的特殊過孔，用來改善其在高速PCB 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的諸多問題。在高速、高密度的通信板卡設(shè)計(jì)中，給出一種優(yōu)化的過孔的解決方案。

　　1. 項(xiàng)目背景及面臨的挑戰(zhàn)

　　目前，我們所設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)等限制條件，需要控制板卡厚度在3.5mm 以下。根據(jù)以上條件，在設(shè)置疊層的時(shí)候，通常把高速信號層設(shè)置為

　　0.5oz（17.5um），電源層設(shè)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(shè)計(jì)的主要目的就是通過優(yōu)化過孔設(shè)計(jì)方案，盡可能地解決和改善這兩個(gè)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(nèi)電鍍的銅箔厚度，一般為1mil，所以展開來看，過孔內(nèi)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(qū)域，我們可以理解為有一個(gè)阻抗突變的現(xiàn)象，導(dǎo)致整條傳輸線上阻抗不連續(xù)，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(chǎn)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(shí)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(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。所以，對于高速高密度的通信板卡，設(shè)計(jì)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(shí)際上整個(gè)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(yè)務(wù)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(shí)際上流經(jīng)PCB 上的電流是與銅箔的截面積有關(guān)的，即銅箔的厚度乘以線寬。目前在我們的設(shè)計(jì)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(tǒng)板卡上選用通孔結(jié)構(gòu)，勢必導(dǎo)致BGA 下面的大片銅箔被打穿，形成一個(gè)個(gè)孔洞，可以想象，BGA 下面整個(gè)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(shí)，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(dǎo)致銅箔的溫升問題。

　　2. 過孔優(yōu)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(wù)。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(gè)1-14 層的頂層盲孔和一個(gè)15-28 層的底層盲孔，分別進(jìn)行一次層壓，再把兩個(gè)子板再次壓合在一起的技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 N+N 過孔結(jié)構(gòu)

　　■ 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(shù)（Back Drill）。背鉆，簡單來說就是把通孔中所遺留的stub 鉆掉的技術(shù)。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(shí)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(gè)柱子。這個(gè)多余出來的柱子就叫做stub，它會影響信號的質(zhì)量，在高速電路中會引起信號完整性問題。為保證信號質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shí)，這種N+N 過孔結(jié)構(gòu)，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(yè)務(wù)量，因此芯片的電流也達(dá)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(nèi)成為了我們要重點(diǎn)討論的問題。如果還是沿用原先的通孔技術(shù)，那么在BGA 下的各個(gè)電源層毫無疑問是會全部打穿的。但是，如果運(yùn)用N+N 的過孔技術(shù)，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(shù)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(gè)合理的范圍之內(nèi)。

　　圖2 N+N 過孔結(jié)構(gòu)下上、下半層電源平面圖

　　3. 結(jié)語

　　本文詳細(xì)闡述了如何合理地設(shè)計(jì)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(shù)；然后，詳細(xì)闡述了項(xiàng)目背景以及在該項(xiàng)目條件下工程設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)；最后，通過特殊的過孔設(shè)計(jì)，N+N 過孔設(shè)計(jì)方案，有效地優(yōu)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。