112G高速PCB的过孔阻抗设计和加工制作|传输线|信号|过孔阻抗设计|通孔|高速pcb

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（来源：明阳电路）

目前，印制电路板（PCB）厂商已经开始量产112G产品，作为当前阶段量产的传输速率最高的PCB产品。其在以下几个方面有特殊要求：首先，由于112G交换机产品使用的信号调制方式从不归零编码（non-return-to-zero，NRZ）转变为四电平脉冲幅度调制（pulse amplitude modulation 4-level，PAM4），PAM4在一个周期内传输4个码元00，01，10，11，在相同带宽下，数据传输速率翻倍。但因为电平间的幅度差变小了导致其抗噪声能力差，信噪比要求高，所以在传输路径中一点微小的变化都有可能导致信号失真，误码率急剧上升，接收端无法解码出正确信号。

因此对于112G产品而言，阻抗控制是重中之重，阻抗公差从±10%提升至±7%，孔阻抗从原来的无要求，到如今和线阻抗公差一样的要求。孔阻抗要求的提出，意味着PCB制造商们无法和之前产品一样通过增大引脚焊盘（(Pin pads英文全称，PAD）的方式来减小对位难度，因为底PDA的增大，必然导致孔阻抗的下降。

除此之外，112G产品的奈奎斯特带宽来到了28 GHz，芯板预留PCB产品的损耗大约为1 dB/inch（0.039 37 dB/mm），这也就意味着产品要在28 GHz的情况下满足上述损耗要求；另一方面，PCB制作商们为了节省制作时间，减少制作工步，广泛采用深微孔技术，激光从L1层直接击穿到L3层，甚至L4层，这对PCB的激光加工和沉铜电镀带来了新的挑战。

| 112 G高速信号传输路径分析

高速信号从光模块接口位置通过L1到L3的盲孔传导到内层L3层，L3层经过一小段差分传输线后通过双面背钻孔传导至L14层，L14经过很长一段差分传输线后，通过单面背钻孔传导至球栅阵列（Ball Grid Array英文全称，BGA）位置。至此，信号传输完成。

| 孔阻抗测试

为测试底PAD对孔阻抗的影响，设计了2组对照实验，具体参数见表1。

通过模拟软件进行模拟，结果如图1所示。由底PAD设置为0.4 mm，则过孔阻抗为95 Ω与后端线阻抗的要求值93 Ω相匹配；当其他条件不变，过孔底PAD设置为0.55 mm时，过孔阻抗则会下降至85 Ω，远小于93 Ω的传输线要求阻抗。由此带来的信号反射将导致接收端误码率的急剧上升，最终无法解码信号。因此，对于112 G产品，需在前期的设计中进行孔阻抗仿真，保证孔阻抗与线阻抗的一致性。

| 对位能力测试

由前期研究可知，为保证孔阻抗和线阻抗的一致性，在底PAD的补偿基础上，不能过多的加大补偿，造成PCB制造过程中对位精度的提高。通常，我司为了确保对位准确，将最小焊环设置为0.15 mm，由前期的孔阻抗仿真数据可知，0.25 mm孔径，焊环0.15 mm，则底PAD大小为0.55 mm，阻抗仅为85 Ω，不符合要求，需要减小焊环大小。将焊环大小改为0.075 mm，这意味着盲孔与PAD的对位精度要控制在0.075 mm以内。一般情况下，盲孔对位有两种形式：抓综合靶标对位或抓盲孔底PAD所在层对位；两种对位形式的优缺点见表2。

如图2所示，采用抓盲孔底PAD的对位方式，可确保盲孔居中对齐，因此，需解决可能存在的通孔与盲孔不匹配的问题。一般情况下，外层曝光系数抓取的为通孔的涨缩系数，制作通孔时，需抓取的综合靶标，因此，外层曝光系数是每一层偏移量的综合系数；而盲孔抓取的为单层靶标，就是某一层的偏移量，当整体的偏移量与单层的偏移量差距过大时，会导致外层的通孔PAD与盲孔对不上。

为了解决这一现象，我司采用了一种称为梅花孔的外层图形的对位靶标。制作过程为：制作盲孔时在板的四角分别钻一圈盲孔；制作通孔时，在一圈盲孔的中间位置钻一个通孔，作为通孔靶标，如图3所示；进行外层曝光时，需抓取每个角的盲孔靶标和通孔靶标来完成制作。这表明外层的曝光系数为通孔和盲孔的平均系数，这一操作可有效防止盲孔偏离外层PAD。

| 激光钻孔能力测试

关于盲孔的加工，为了节省加工流程，加快制作时间，本产品将2次压合的制作方式改为一次压合，这也就意味着在制作盲孔时要同时完成L1到L2层和L1到L3层的盲孔制作。这样的制作方式，带来的挑战主要是两方面：盲孔制作难度的加大和电镀制作难度的加大。在盲孔制作方面：为了满足L1到L3层的孔径为盲孔制作，首先将对应的盲孔上方的L2层掏隔离环，其次，为了保证上下孔径比，采用扩孔的方式制作，激光小孔叠孔排列绕烧，先烧外围再烧内部，小孔重叠率按85%设计，盲孔设计如图4所示。

| 背钻孔加工能力测试

对孔阻抗的管控，需管控信号过孔的背钻残桩，残桩的存在不仅会导致孔阻抗降低，还会导致信号损失增加，管控背钻残桩长度是控制高速信号完整性的一大重点措施[5]。客户通过前期的仿真测试，发现预留0.2 mm的残桩长度可满足信号传输的要求。因此，我司背钻残桩按照小于0.2 mm管控。为满足整板任意位置满足背钻残桩的需求，我司采用分堆分区制作，具体制作流程如下：

（1）全测背钻孔位置的板厚，将同一位置，板与板之间极差大于0.1 mm的板进行分堆，每一堆的板都分别用不同的背钻参数。

（2）针对同一块板，对板厚差异大于0.1 mm的孔进行分区域背钻处理。每个区域采用不同的背钻控深参数，并确认首件的切片。

基于以上加工方式，随机取不同位置的背钻切片，如图6所示，均满足小于0.2 mm的管控要求。