跳至内容
随着高速串行链路速率每代翻倍，以往不影响信号完整性（SI）的细微寄生效应正变得日益重要。几乎所有高速串行链路都会使用过孔，要么用于将走线从一个层过渡到另一个层，要么用于将信号走线连接到封装、连接器等组件。镀通孔（PTH）过孔因其制造简便且成本较低，在印刷电路板（PCB）中应用广泛。盲埋孔等其他过孔结构尚未成为主流，且与 PTH 过孔相比制造成本更高。过孔会在高速串行链路中引发反射和串扰。
下面将重点关注过孔 stub 而非过孔本身。过孔中连接信号后未使用的部分称为过孔 stub。图 1 展示了包含过孔 stub 的示例拓扑结构。高速设计中的过孔 stub 备受关注，因为它们会在四分之一波长处发生谐振。如果过孔 stub 的谐振频率接近通道工作频率，则可能影响信号完整性（SI）。图 2 显示了不同过孔 stub 长度的插入损耗情况，较长的过孔 stub 在较低频率下发生谐振。
高速信号通常布线在叠层的底层，以最大限度缩短过孔 stub。当无法实现这一布线方式时，带有长过孔 stub 的信号通常会采用背钻工艺处理。背钻是一种将过孔未使用部分钻除的工艺。尽管背钻工艺成本较高，但近年来其成本已有所下降。不过仍存在一些无法进行背钻的情况：在厚板上的密间距过孔中，当纵横比（PCB 厚度除以过孔直径）达到极高值（19 以上）时，背钻会变得十分困难；压接连接器的过孔有时也无法进行背钻——压接连接器的引脚深度通常为 25 至 60mil，需依靠过孔壁实现机械固定，对这类过孔进行背钻会破坏连接器的机械刚性。在这些场景下，设计人员必须制定替代方案以降低长过孔 stub 的影响。
短过孔 stub 通常性质温和，不会对信号完整性（SI）产生不利影响。但本节将表明，多个短过孔 stub 并非始终无害，尤其是在速率超过 25Gbps 时，它们可能会导致信号质量呈指数级劣化。
为验证这一观点，本文以 20mil的过孔 stub 为研究对象。图 3 展示了 1 个 20mil过孔 stub 与 4 个 20mil过孔 stub 的插入损耗对比，测试基于一个假设的无损耗通道。从图 3 可以看出，4 个短过孔 stub 对损耗的影响呈指数级增长：不仅谐振现象更加显著，谐振频率附近的损耗也受到了影响。图 4 进一步验证了这一观点，将 4 个 20mil过孔 stub 与 3 个分别为 10mil、20mil和 30mil的过孔 stub 进行对比，结果显示即使其中包含一个长过孔 stub，3 个过孔 stub 的方案仍优于 4 个过孔 stub 的方案。
图 3. 1 个过孔 stub 与 4 个过孔 stub 的影响对比
图 4. 多个短过孔 stub 不如少量短过孔 stub 效果优异
为研究高速通道中不同过孔 stub 长度和位置的影响，本文采用图 5 所示的串行链路结构。主板和背板采用中等损耗 PCB，其相对介电常数 εr=3.8，介质损耗角正切 tand=0.014；终端设备采用标准损耗材料，相对介电常数 εr=4.2，介质损耗角正切 tand=0.024，长度为 2.5 英寸；PCB 走线和电缆的阻抗均设定为 100 欧姆。
该端到端通道的路径中包含 5 个过孔，每个过孔位置的 stub 长度在 15mil至 75mil之间变化，接口仿真速率分别为 16Gbps 和 20Gbps。
A. 15mil和 30mil长度过孔 Stub 的影响
本节研究两种测试场景：第一种场景中，5 个过孔位置的 stub 长度均为 15mil；第二种场景中，所有过孔 stub 长度均为 30mil。测试结果显示，当所有过孔 stub 长度为 15mil时，16Gbps 速率下的眼高（EH）为 146.4mV，20Gbps 速率下的眼高（EH）为 92.8mV（如图 6 所示）；当所有过孔 stub 长度为 30mil时，16Gbps 速率下的眼高（EH）为 138.4mV，20Gbps 速率下的眼高（EH）为 75.2mV。可以观察到，当工作频率接近谐振频率时，过孔 stub 的影响会显著增强。由于 20Gbps 的工作速率更接近过孔谐振频率，因此 30mil过孔 stub 导致的眼高（EH）下降幅度远大于 15mil过孔 stub。
图 6. 5 个过孔均为 15mil和 30mil stub 长度的通道眼图
B. 4 个 30mil stub 搭配 1 个长 stub 的影响
本节研究的通道中，4 个过孔位置的 stub 长度为 30mil，剩余 1 个过孔 stub 长度大于 30mil（具体参数如表 1 所示）。结果表明，在 16Gbps 速率下，单个过孔 stub 长度可达 65mil而不会导致眼高（EH）劣化，眼高仅下降约 4mV；在 20Gbps 速率下，单个过孔 stub 长度最高可达 53mil而不影响眼高（EH）。此外还观察到，长 stub 的位置（无论是在发射机 BGA、连接器还是接收机 BGA 侧）也会产生影响，但这种影响高度依赖于速率、过孔 stub 长度、过孔位置和发射机设置。因此，需要通过细致的仿真分析来确定通道中长 stub 过孔的最佳位置。
表 1. 30.0mil组合拓扑中的单个长 stub 方案
C. 4 个 15mil stub 搭配 1 个长 stub 的影响
本节研究的通道中，4 个过孔位置的 stub 长度为 15mil，剩余 1 个过孔 stub 为长长度（具体参数如表 2 所示）。结果显示，当其中一个过孔 stub 长度为 53mil时，16Gbps 和 20Gbps 速率下的眼高（EH）均优于 5 个过孔 stub 均为 32mil的情况；当该长 stub 长度为 65mil时，16Gbps 速率下的眼高（EH）劣化程度极小；当 stub 长度为 75mil时，20Gbps 速率下的裕量有所下降，但 65mil stub 长度在 20Gbps 速率下未造成裕量损失。
表 2. 15.0mil组合拓扑中的单个长 stub 方案
D. 3 个 15mil stub 搭配 2 个长 stub 的影响
当 2 个过孔 stub 长度为 53mil，其余 3 个过孔 stub 长度为 15mil时（具体参数如表 3 所示），结果表明：在 16Gbps 速率下，特定的过孔组合可容忍 2 个 53mil的长 stub，且不会导致眼高（EH）下降；但在 20Gbps 速率下，眼高（EH）裕量会出现劣化（如表 3 和图 7 中的眼图所示）。
表 3. 15.0mil组合拓扑中的两个长 stub 方案
图 7. via2、via3 为 53mil stub，其余过孔为 15mil stub 的通道眼图
上面探讨了过孔 stub 位置对高速串行链路的影响，得出以下结论：
-
多个相同长度的过孔 stub 会导致通道性能呈指数级劣化，因此即使是短过孔 stub，也应尽量减少其数量；
-
过孔 stub 的位置在高速串行设计中起着关键作用：部分位置的过孔 stub 影响温和，而部分位置的过孔 stub 可能造成严重影响，甚至导致眼图闭合。因此需要对接口进行细致分析，以权衡过孔 stub 位置的敏感性；
-
在高速通道中，若单个长过孔 stub 位于合适位置，且其他过孔为短 stub，则与所有过孔均为短 stub 的通道相比，不会产生显著的裕量损失。长过孔 stub 的负面影响取决于通道拓扑结构、信号速率和通道中的其他过孔情况。
因此，在某些场景下，若长过孔 stub 数量少且位置合适，无需对其进行背钻处理。本研究有助于避免主板设计中不必要的背钻工艺，从而降低设计成本。