干货|PCB设计，应该在差分对上使用泪珠吗？

电子工程世界 2023-02-15 07:30

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影响 PCB 可靠性的主要因素之一是在 PCB 的迹线上使用泪珠。泪珠非常有用，一些制造商可能需要在他们制造的 III 类产品中使用泪珠，目的是在钻孔上扩展环形圈。与可靠性的许多方面一样，这些考虑因素也涉及信号完整性领域，尤其是当可靠性更高的产品需要更大的数据处理能力并以更高的速度运行时。

因为高速接口使用差分对运行，自然会出现的问题是：

你应该在差分对上使用泪珠吗？

这是我们最近的播客嘉宾之一马里奥·斯特拉诺（Mario Strano）向我提出的问题。这是高速设计中的一个重要问题，因为泪珠本质上会在通孔的输入端引入输入阻抗偏差。从概念上讲，我认为这是一个很好的问题，因为 PCB 泪珠对可靠性很重要，它反映了对泪珠可以改变阻抗的认识。在本文中，我将分解在差分对上使用泪珠时存在的问题以及这些问题如何影响阻抗。

为什么是泪珠？

首先，我认为重要的是要记住为什么泪珠可能会放置在差分对（或任何其他走线）上被路由到通孔中。在制造过程中，当为通孔或其他 NPTH/安装孔钻孔时，钻头可能会在钻孔命中之间徘徊并稍微错过其钻孔目标。如果有很多漂移，钻头可能会从通孔中切断连接迹线或焊盘，这可能会在电镀后留下开路连接。

可以使用泪珠来帮助防止任何可能切断连接到通孔焊盘的走线的突破。这里的想法是提供一些额外的铜，以帮助防止在制造过程中钻孔的痕迹突破。

泪珠添加到 PCB 中的迹线。

一些 IPC Class 3 制造商会推荐泪珠，但这会带来高速接口上的信号完整性问题。这些元素如何影响高速信号，尤其是差分对？这个问题很重要，因为标准高速接口使用差分信号，并且更多高可靠性产品正在采用这些协议。

向 RF 设计寻求智慧

信不信由你，我们可以再次从 RF PCB 设计实践中寻求指导。我们在这些差分迹线上有一个锥形部分，RF 工程师经常使用它来匹配阻抗。事实上，锥形被用作从微带到衬底集成波导 (SIW) 和接地共面波导的过渡元件。这些元件提供的阻抗匹配可以是宽带的，并在具有中等带宽的射频信号的谐振之间提供非常一致的相位响应。

对于数字信号，在检查泪滴如何影响高速信号时，我们必须考虑三个挑战：

带宽：所有数字信号都有很宽的带宽（理论上是无限的）；通道需要将频率传输到 Nyquist 频率限制。
耦合：对于差分对，我们有一对耦合锥度，而不仅仅是一个单独的锥度，耦合取决于走线宽度和间距。
锥形速率：泪滴逐渐变细到通孔焊盘宽度的速率决定了线对中一条迹线的单端阻抗变化的速率，从而决定了差分阻抗的变化速率。
锥形轮廓：泪珠轮廓是线性的还是弯曲的？这对于阻抗匹配和传播也很重要。

由于这三点，要尽量减少泪滴对差分对的影响，需要选择合适的锥度宽度和长度。但是，由于逐渐变细到更大的宽度会降低走线阻抗，因此您需要确保进入过孔的输入阻抗（仅在高频下有效）低于锥形之前输入走线的奇模阻抗。

对于差分线对，这意味着您需要控制线对之间的间距以及沿泪珠的锥度/长度。让我们看一下这些要点：

锥度长度

接下来，我们应该问，泪珠应该使用什么锥度长度？再次，让我们回到带有锥度匹配部分的射频系统。如果您需要具有一致回波损耗且在高带宽下没有谐振行为的匹配阻抗，则锥度需要提供平滑的阻抗转换，直至达到所需的带宽限制。这些锥形的带宽限制由相变定义，以特定谐振频率处的相长干涉为标志（见下文）。

为什么要限制带宽？这是因为走线锥度就像一个高通滤波器，并且它具有一定的电气长度，如果与通孔正确匹配，它将像它自己的一小段传输线一样工作。我们可以通过（再次）从一般的锥度中获得一些见解来看到锥度在哪里成为带宽限制。下面的示例显示了微带走线从 50 Ohm 走线逐渐变细到 40 Ohm 输出，并在 Rogers 3003 电介质上带有泪珠。我们可以立即看到，当锥度变小时，带宽限制会扩展到更高的频率。

用于 50 至 40 欧姆转换的线性迹线锥形回波损耗频谱。

我们只能在特定频率下完美匹配，但在中频范围内，回波损耗频谱是平坦的。以上还假设锥度的输出侧与过孔完美匹配，但情况可能并非如此。如果是这样，回波损耗会有所不同，并且将受较低频率下通孔输入处的反射系数支配。

确定输入阻抗的解析表达式作为泪滴中锥度率的函数是我将在该主题的第二部分中研究的内容，因此我将其保存以备后用，因为它值得单独写一篇文章。

泪珠间距

差分对中的间距将部分决定该对中每条迹线的奇模阻抗。如果迹线彼此逐渐变细，则泪滴区域之间减小的间距会进一步降低通向通孔的阻抗。对输入阻抗（以及因此的 S 参数和通道顺应性）的影响将受到间距和锥度长度以及锥度角度的影响。

差分对上的泪滴之间的间距走线到通孔。

如果间距已经很大，并且您将泪珠应用于差分对而不倾斜它们，则会出现大于正常的奇模阻抗偏差，因为间距沿锥度的长度减小。单端阻抗已经沿锥体长度减小，但沿锥体长度的较小间距将进一步降低阻抗。

如果您设计的差分对没有太小的间距（右侧），并且在您的对下方使用了薄电介质（特别是对于微带线），那么在一对差分过孔处应用泪珠不会对阻抗。阻抗已经被接地的存在所支配。然后，如果您调整走线的角度，您会看到与查看通孔对的差分阻抗相比，阻抗偏差较小。

设计规则

基于上面列出的几点，我们得出以下差分对泪滴的结果：

更大的信号带宽将需要更小的泪滴锥形距离
尝试将泪珠部分倾斜以保持边缘到边缘的间距不变
最终宽度应与差分过孔的输入阻抗匹配
如果可能，泪滴区域应在通孔对的输入和输出处对称

不幸的是，在第 3 点中声明“应该匹配差分过孔/焊盘的输入阻抗”说起来容易做起来难。我知道只有一种方法可以为差分通孔阻抗计算提供任何级别的精度，它从计算通过一对差分通孔的传播延迟开始。大多数单端通过阻抗计算器是完全不准确的，并且不会产生任何与 TDR 的实验结果相匹配的结果，因此从那里开始是没有意义的。此外，大多数通过阻抗计算器不是基于宽带模型，因此它们不会考虑传播和模式激励，因此它们不会产生在高频下准确的结果，而这正是您需要高速信号精度的地方！

可靠性不需要泪珠

尽管通常建议使用泪珠来确保可靠性，并且一些制造商原则上会推荐它们用于任何 3 类产品，但它们并不是可靠性所必需的。例如，在 OpenVPX背板中，您不会看到任何对泪珠的要求，而且我从未被要求将它们添加到这些背板之一（3U 或 6U）中。我提出了这个特殊的开放标准，因为其确保可靠性所需的设计要求比您为 2 类或 3 类产品实施的要求更为保守，并且它们部署在一些最恶劣的环境（军用航空）中。

就泪滴评估而言，可以使用模拟来确定锥度长度和锥度率何时太小/太大，以至于它们开始影响信号行为。要检查的关键指标是查看互连泪滴部分的 S 参数，特别是查看 S11（回波损耗）以确定是否存在不可接受的阻抗偏差。一些专门的电磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）将半自动计算 S11，并将泪珠应用于迹线。