CN2634760Y - 一种高速信号的过孔结构 - Google Patents

Abstract

一种高速信号的过孔结构，涉及一种大容量高速通信交换设备中高速串行总线上的过孔结构改进，其设置于一在绝缘介质层上覆盖有走线层的板材上，在该绝缘介质层中间位置设置一参考平面层，该参考平面层中设置有反焊盘；该过孔结构包括一主信号过孔及围绕该主信号过孔的圆形分布的多个辅助过孔，以及信号引入、引出线；所述主信号过孔贯穿所述板材，用于传递信号；所述辅助过孔贯穿所述板材；在所述参考平面层上，所述反焊盘的直径大于或等于所述辅助过孔围绕所述主信号过孔所形成的圆形的直径。本实用新型产品不但能精确地控制过孔的阻抗，而且能隔离反焊盘的分布电容对阻抗的影响。

Description

一种高速信号的过孔结构

技术领域

本实用新型涉及一种高速信号线上的过孔结构，尤其是在大容量高速通信交换设备中高速串行总线上的过孔结构改进。

背景技术

在现代通讯***中，信号的传输速率越来越高，从过去的50M，100M到现在的2.5G，3.125G，并将向5G，10G发展。

在机架式的交换设备中，多块线卡和交换控制卡通过背板相互连接，当交换容量越来越大，单板端口的容量也越来越大时，过去的并行总线方式背板仅仅依靠提供更高的时钟速率和位宽已经不能满足现代通讯业的发展，以XAUI，PCI Express，Serial Rapidio，和Fibre Channel等为代表的串行连接方式逐渐兴起，并逐步取代了并行连接方式。同时在高速的交换设备中，背板上的信号速率很高，可高达2-3Gbps，传输距离也很长(可达一米)。因此保证传输线的特性阻抗的匹配和一致连续性，以保证接收端的一定的信号质量，是以串行总线方式实现高速背板设计的关键。而理论和实践都证明，信号线上的过孔是导致阻抗不连续的一个重要因素。

在高速串行总线设计中，为了保证信号传递，或者为了更有效地布局总线，过孔是不可避免的。在传统的设计中过孔主要由三个部分组成，如图1所示的，一是中间的钻孔(drill hole)，二是钻孔周围的焊盘(pad)，三是非连接层的反焊盘(anti-pad)，这三部分的尺寸大小决定了过孔的大小，图2示出的为现有过孔结构的电路模型，图中示出的是一个过孔的集中参数模型，分别有两个电容和一个电感构成，电容的大小主要受焊盘，反焊盘的尺寸影响。在实际电路中，由于等效电容的作用远大于电感的作用，因此一个过孔在***中可以简化成一个电容。很显然，在涉及高速、高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间；此外过孔越小，其通常自身的寄生电容也越小，从而更适合用于高速电路。但是过孔尺寸的减小同时却带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制，所以应该合理选择过孔参数。

在美国专利号6,388,206中使用了一个中央过孔和围绕中心过孔的若干个连接地平面的辅助过孔，该方式可以提供较好的信号屏蔽隔离的功能，但对如何进行阻抗的控制没有进行论述，尤其是没有说明如何对反焊盘的尺寸的控制。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的由于过孔而产生的阻抗不连续的缺点，解决现有技术中存在的由于过孔而产生的阻抗变化过大的问题，尽可能地减小由于过孔引入的阻抗的变化。

本本实用新型的技术方案为：

一种高速信号的过孔结构，设置于一在绝缘介质层上覆盖有走线层的板材上，在该绝缘介质层中间位置设置一参考平面层，该参考平面层中设置有反焊盘；该过孔结构包括一主信号过孔及围绕该主信号过孔的圆形分布的多个辅助过孔，以及信号引入、引出线；所述主信号过孔贯穿所述板材，用于传递信号；所述辅助过孔贯穿所述板材；其中，在所述参考平面层上，所述反焊盘的直径大于或等于所述辅助过孔围绕所述主信号过孔所形成的圆形的直径。

所述过孔结构，其中，在给定目标阻抗R与所述主信号过孔的直径d以及所述辅助过孔围绕所述主信号过孔所形成的圆形的直径X满足以下关系：

$X=2.714\frac{R}{60}\×\sqrt{\mathrm{\ξ}}r\×d$

其中：ξr为材料的介电常数。

所述的过孔结构，其中，所述辅助过孔之间以所述主信号过孔为圆心所形成的夹角为45度。

所述的过孔结构，其中，围绕所述主信号过孔的所述辅助过孔数目为6个。

所述的过孔结构，其中，对于FR4的普通PCB板材，所述辅助过孔围绕所述主信号过孔的直径为主信号过孔直径的5.6倍。

采用本实用新型所述过孔结构，与现有技术相比，由于采用了辅助过孔，有效地改善了分布电容的效应，平滑了传输线阻抗在过孔处的变化，减少了信号在过孔处的反射和衰减，提高了信号质量；同时，辅助过孔还能减少过孔处的电磁辐射，提高电子设备电磁兼容性的要求。

同时由于在过孔处分布着多个平面层的过孔，增加了高速信号的回流路径。

附图说明

图1是现有技术的一种过孔结构；

图2是现有过孔结构的电路模型；

图3为本实用新型的过孔结构的纵向剖面示意图；

图4为本实用新型的过孔结构中第一层走线层(Layer 1)的平面图；

图5为本实用新型的过孔结构中第二和第四层绝缘介质层(Layer 2、Layer 4)的平面图；

图6为本实用新型的过孔结构中第三层参考平面层(Layer 3)的平面图；

图7为本实用新型的过孔结构中第五层走线层(Layer 5)的平面图；

图8为本实用新型的过孔结构中的顶端出线过孔信号层的平面图；

图9A和图9B分别示出的是普通过孔与本实用新型过孔结构的TDR测试阻抗仿真波形图，可以对比显示本发明效果。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本实用新型的过孔结构是如何实现的。

本实用新型的一种高速信号的过孔结构，如图3所示的，其设置于一在绝缘介质层110上覆盖有走线层120的板材上，在该绝缘介质层110的中间位置设置一参考平面层130，该参考平面层130中设置有反焊盘D，如图6所示；该过孔结构包括主信号过孔A和围绕主信号过孔的辅助过孔B以及信号引入、引出线C，所述主信号过孔A贯穿所述板材，完成信号的传递功能；所述辅助过孔B也贯穿所述板材，起着改善分布电容的分布，改善阻抗的变化，提高信号的完整性的作用。

在参考平面层130，如图6所示的，所述反焊盘D的直径必须大于或等于所述辅助过孔B围绕所述主信号过孔A所形成的圆形直径。所述辅助过孔B围绕所述主信号过孔A形成一个与所述主信号过孔A平行的虚拟参考平面，这个参考平面上的辅助过孔B分布所形成的圆形直径可以由以下方式确定，这样不但能精确地控制过孔的阻抗，而且能隔离反焊盘的分布电容对阻抗的影响。

对于给定目标阻抗为R的***来说，所述辅助过孔B以某种方式与参考平面相连，并且满足以下关系

$X=2.714\frac{R}{60}\×\sqrt{\mathrm{\ξ}}r\×d--\left(I\right)$

其中：X为所述辅助过孔B围绕所述主信号过孔A的圆形直径；

      d为所述主信号过孔A的直径；

ξr为材料的介电常数；

R为设定的目标阻抗。

这样，通过计算出的辅助过孔分布方式将会使电容和阻抗在有效控制之内。

如图3～图8所示的，在本实用新型的较佳实施例中，信号在电路板中通过贯穿的主信号过孔A从第一层走线层(Layer 1)穿越直至第五层走线层(Layer 5)，中间依次穿越第二层和第四层绝缘介质层(Layer 2、Layer 4)以及第三层参考平面层(Layer 3)(例如GND)。所述辅助过孔B围绕所述主信号过孔A成圆形分布，辅助过孔与辅助过孔之间夹角为45度，同时考虑引入、引出线C占位的影响，辅助过孔围绕主信号过孔的数目为六个。小的辅助过孔围绕所述主信号过孔A成圆形分布，形成一个管状结构。对于FR4的普通PCB板材，辅助过孔围绕主信号过孔的直径为主信号过孔直径的5.6倍。

对于其它不同的介质材料计算公式近似为(I)式，其中的目标阻抗R可以设定为50Ω。

在本例子中，所述主信号过孔A的直径为d＝1mm，辅助过孔B的直径为0.25mm，所述辅助过孔B的围绕所述主信号过孔A的直径X是主信号过孔内径的5.6倍，为X＝5.6mm。在第三层，即所述参考平面层130，所述反焊盘D的直径取所述辅助过孔围绕主信号过孔直径的1.2倍，即为5.6×1.2＝6.72mm。

如图9A和图9B所示的为普通过孔与本实用新型过孔的TDR测试阻抗仿真波形对比结果，从仿真测试的波形来看，普通过孔的TDR曲线(如图9A所示的)与本实用新型过孔TDR曲线(如图9B所示的)相比，普通过孔的阻抗变化远大于本实用新型的过孔，因此对信号的影响也较大。

可以理解的是，本实用新型的技术方案对本领域普通技术人员来说，可能做出各种等同的改变或替换，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型后附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1、一种高速信号的过孔结构，设置于一在绝缘介质层上覆盖有走线层的板材上，在该绝缘介质层中间位置设置一参考平面层，该参考平面层中设置有反焊盘；该过孔结构包括一主信号过孔及围绕该主信号过孔的圆形分布的多个辅助过孔，以及信号引入、引出线；所述主信号过孔贯穿所述板材，用于传递信号；所述辅助过孔贯穿所述板材；其特征在于：在所述参考平面层上，所述反焊盘的直径大于或等于所述辅助过孔围绕所述主信号过孔所形成的圆形的直径。

2、根据权利要求1所述的高速信号过孔结构，其特征在于：在给定目标阻抗R与所述主信号过孔的直径d后，所述辅助过孔围绕所述主信号过孔所形成的圆形直径X满足以下关系：

$X=2.714\frac{R}{60}\×\sqrt{\mathrm{\ζ}}{r}_{\×d}$

其中：ξr为材料的介电常数。

3、根据权利要求1或2所述的高速信号过孔结构，其特征在于：所述辅助过孔之间以所述主信号过孔为圆心所形成的夹角为45度。

4、根据权利要求3所述的高速信号过孔结构，其特征在于：围绕所述主信号过孔的所述辅助过孔数目为6个。

5、根据权利要求1所述的高速信号过孔结构，其特征在于：对于FR4的普通PCB板材，所述辅助过孔围绕所述主信号过孔的直径为所述主信号过孔直径的5.6倍。

Images