高速PCB設(shè)計(jì)中的背鉆技術(shù)：作用、加工方法及設(shè)計(jì)規(guī)則解析 - ibpcb

 常見問題     |      2021-11-25 10:44:53    |      愛彼電路

PCB線路板高速互連鏈路的組成要素：1.發(fā)送端芯片（封裝與PCB過孔）2.子卡PCB走線 3.子卡連接器 4.背板PCB走線 5.對(duì)側(cè)子卡連接器 6.對(duì)側(cè)子卡PCB走線 7.AC耦合電容 8.接收端芯片（封裝與PCB過孔），一個(gè)典型的高速信號(hào)互連鏈路：可以看出，實(shí)際電子產(chǎn)品的高速信號(hào)互連鏈路是比較復(fù)雜的，而且通常在不同部件連接點(diǎn)處是會(huì)產(chǎn)生阻抗失配的問題、從而造成信號(hào)的發(fā)射。

高速互連鏈路常見的阻抗不連續(xù)點(diǎn)：

1.芯片封裝：通常芯片封裝基板內(nèi)的PCB走線線寬會(huì)比普通PCB板細(xì)很多，阻抗控制不容易；

2.PCB過孔：PCB過孔通常為容性效應(yīng)，特征阻抗偏低，PCB設(shè)計(jì)最應(yīng)該關(guān)注與優(yōu)化；

3.連接器：連接器內(nèi)銅互連鏈路的設(shè)計(jì)要同時(shí)受到機(jī)械可靠性與電氣性能的雙重影響，在兩者之間尋求平衡；

PCB的過孔通常為通孔設(shè)計(jì)（從Top表層貫通到Bottom底層），當(dāng)連接過孔的PCB走線比較靠近TOP層時(shí)，就會(huì)在PCB互連鏈路的過孔處產(chǎn)生“Stub”分叉，造成信號(hào)的反射、影響信號(hào)質(zhì)量，這種影響對(duì)于越高速的信號(hào)影響越大。

高速互連鏈路的S參數(shù)曲線，綠色標(biāo)識(shí)No Backdrill的曲線為互連鏈路的插損，可以看到在4.0~4.5GHz頻點(diǎn)存在明顯的最大諧振，這種諧振從2.5GHz頻點(diǎn)已經(jīng)開始顯現(xiàn)。PCB通孔的Stub影響，一方面體現(xiàn)在阻抗連續(xù)性的破壞，另一方面體現(xiàn)在鏈路高頻損耗的惡化。因此，需要想辦法把PCB通孔的Stub去除，“背鉆”（Backdrill）就是這樣一種PCB加工技術(shù)。

Backdrill的加工方法簡(jiǎn)介

背鉆技術(shù)就是利用控深鉆孔方法，采用二次鉆孔方式鉆掉連接器過孔或者信號(hào)過孔的Stub 孔壁。通孔成型后，通過從“背面”的二次鉆孔，去除PCB通孔的多余Stub，當(dāng)然Backdrill鉆頭的直徑要大于通孔的孔直徑，而且要根據(jù)加工鉆孔的深度工藝公差水平在“不能破壞PCB孔與走線連接”的基礎(chǔ)上保證“剩余Stub長(zhǎng)度盡可能小”，即所謂的“控深鉆孔”。

通孔BackDrill剖面示意圖
上圖為通孔BackDrill剖面示意圖：左邊為正常的信號(hào)通孔；右邊為Backdrill后的通孔示意圖，表示從Bottom層一直鉆到走線Trace所在的信號(hào)層。

三、BackDrill在PCB設(shè)計(jì)中的規(guī)則

1.壓接連接器PCB孔的“剩余孔壁長(zhǎng)度”，要求：L≥L1+12mil

2.背鉆孔深度控制建議在兩層之間，兩層之間厚度要求≥12mil。舉例說明：背鉆孔1，當(dāng)相鄰兩層（如L12/L13、L13/L14）間距不滿足≥12mil，而L12/L14層間距≥12mil時(shí)，推薦背鉆孔深控制在L12/L14之間；背鉆孔2/3，當(dāng)L9/L10層間距≥12mil 時(shí)，推薦背鉆孔深控制在L9/L10之間。

3.PCB走線到背鉆孔的間距，PCB走線到背鉆孔邊緣距離≥10mil。

4.背鉆孔的孔徑尺寸，背鉆孔徑（D）＝鉆孔直徑（d）＋10mil

通常的認(rèn)識(shí)：≥5Gbps速率的信號(hào)需要考慮增加Backdrill設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，高速板高速互連鏈路的設(shè)計(jì)是個(gè)系統(tǒng)工程，如果芯片驅(qū)動(dòng)能力足夠強(qiáng)，亦或系統(tǒng)互連鏈路不那么長(zhǎng)，也許不做Backdrill設(shè)計(jì)信號(hào)質(zhì)量同樣能過關(guān)。所以最靠譜的做法還是通過系統(tǒng)互連鏈路仿真的方法來確定是否需要Backdrill。

ATCA架構(gòu)系統(tǒng)的高速互連鏈路，高速Serdes信號(hào)速率3.125Gbps，鏈路互連總長(zhǎng)度40inch，不幸的是芯片驅(qū)動(dòng)能力偏弱，信號(hào)會(huì)偶發(fā)誤碼，嘗試多種整改手段無效。最后嘗試了對(duì)Backplane背板的連接器通過做Backdrill處理，誤碼小時(shí)、問題解決。也許此案例中的芯片驅(qū)動(dòng)能力就差Backdrill對(duì)鏈路性能改善那么一點(diǎn)點(diǎn)效果吧。