第四章连接器、封装和过孔

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1、中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 第四章 连接器、封装和过孔 第四章 连接器、封装和过孔 前面讨论了很多内容，基本上涉及了有关 PCB 板的绝大部分相关的知识。第二章探讨了传输线的 基本原理，第三章探讨了串扰，在第四章里我们阐述了许多在现代设计中必须关注的非理想互连的问 题。对于信号从驱动端引脚到接收端引脚的电气路径的相关问题，我们已经做了一些探究，然而对于 硅芯片，即处于封装内部的 IC 来说，其信号传输通常要通过过孔和连接器来进行，对这样的情况我们 该如何处理？在本章中，我们将通过对封装、过孔和连接器的研究，阐述其原理，从而指导

2、大家在设 计的时候对整个电气路径进行完整地分析，即从驱动端内部 IC 芯片的焊盘到接受器 IC 芯片的焊盘。 5.1. 过孔 5.1. 过孔 为了让 PCB 的各层之间或者元器件和走线之间实现电气连接，需要在 PCB 板上钻一些具有导电特 性的小孔，这就被称为过孔。它包括筒状孔壁（Barrel）、焊盘(pad)和反焊盘(anti-pad)。过孔的筒 状孔壁是为了保证 PCB 各层之间的电气连接而对钻孔进行填充的导电材料；焊盘的作用把孔壁和元件 或者走线相连；反焊盘就是指过孔焊盘和周围不需要进行连接的金属之间的间隔。最普通的过孔类型 是通孔，之所以把它称为通孔，是因为它穿过 PCB 板上的所有层

3、，孔中间填入焊料，任何一个层都可 以通过焊盘进行必要的电气连接。此外，还有些特殊类型的过孔，比如盲孔、埋孔和微型孔等等，这 些主要应用于多芯片模组(MCMs)和其它先进的 PCB 中。图 5.1 描述了一个典型的通孔和它的等效电 路，可以注意到：过孔的焊盘和筒状孔壁在第一层和第二层连接了外部走线，而第三层没有连接。盲 孔和埋孔的结构和通孔有一些区别，但因为通孔是目前为止在工业中应用最普遍，所以我们这里主要 讨论通孔的情况。 图图 5.1: 一个通孔的等效电路 从上图可以看到，过孔的模型是一个简单的型网络。电容代表过孔焊盘在第一层和第二层的电 容。串联电感代表过筒状孔壁的特性。由于过孔的结构很小

4、，它们就可以建立为集总元件的模型。当 然，当过孔的延迟大于十分之一的信号上生时间时，这种假设将不再成立。过孔的电容效应对于信号 的主要影响就是延缓信号的边沿速率，特别是需要通过几个过孔的时候，这样的效应更加明显。过孔 对信号边沿的影响大小，可以通过检测信号从容性负载上传输后的劣化（degradation）程度来估算， 具体可以参见本章公式 5.21 中的描述。此外，如果几个连续的过孔放置的距离很近，将会降低传输线 的特征阻抗，这个问题会在 5.3.3 部分做详细解释。过孔焊盘的近似容值为：Johnson and Graham, 1993 1中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 fre

5、esky98、夹湾沟、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 (5.1) 上式中，D2是过孔反焊盘的直径，D1是过孔焊盘的直径，T 是 PCB 的厚度，r是相对介电常数。 典型的一个通孔的总电容大概是 0.3 pF。应当注意是，对于图 5.1 中所描述的过孔模型，这里假设了 每个焊盘的电容占过孔总等效电容的一半。 对于数字电路设计者来说，过孔的电感通常比电容更重要。过孔会对系统增加一定量的串联电 感，从而降低信号完整性，使去耦电容的效果减弱。过孔的电感特性可以用图 5.1 所示模型中的串联 电感来表征，近似计算为：Johnson and Graham, 1993 (5.2) 式中，h 是过孔长度，d 是筒状孔壁的

6、直径。 5.2. 连接器连接器 连接器是用作 PCB 板之间相互连接的器件。随着信号速率的提高，连接器的设计也变的愈加困 难。关于高速连接器设计的一个很好的例子就是计算机系统中插槽 1（slot 1）的设计，它就是用来 连接 Pentium 处理器和主板的连接器。另外，一个更加先进的例子是 RIMM（Rambus Inline Memory Module）连接器，RIMM 的工作速率达到了 800 兆每秒。 因为连接器的几何结构通常是很复杂的，如果不借助于两维或者是三维空间的场解析器或者是测 试，想精确计算其等效的寄生参数几乎是不可能的。当然，在设计中通过调用一阶近似的模型，我们 也能从中学习

7、到连接器的基本效应，并理解它是如何影响系统的性能。 在这一部分中，我们将通过对基本问题的分析得出一些特性规律，对于设计和建模高速连接器来 说是非常重要的。我们探讨的主题主要可以分为：连接器的串扰、串联寄生因素以及电流回路电感 等。图 5.2 所示的是一个概念性的模型，用来演示连接器对于信号完整性的若干不利影响。 图图 5.2: PCB 连接器的一个实例 2中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 5.2.1. 串联电感串联电感 连接器最基本的影响是给电路增加了一定的串联电感，我们可以利用计算简单直线电感的公式 来对这个串联电感值进行一阶估算

8、。下面两个公式分别是圆形和矩形导线的串联电感近似计算表达 式：Poon, 1995 (5.3) (5.4) 式中，0是自由空间的磁导率，l 是导线长度，r 是导线半径（圆形导线），p 是导线周长(矩 形导线)。应该注意的是，长度是寄生串联电感的主要原因；如果导线截面的尺寸和其长度相比要小 得多的话，则导体的形状对于寄生电感影响并不显著。 5.2.2. 并联并联(shunt)电容电容 虽然并联互容也是连接器设计中需要考虑的一个比较重要的因素，但是在初期的连接器性能评 估中通常可以忽略。这个电容对于系统主要的影响是能降低系统的边沿速率。需要注意的是，这个 外加的电容有时也能被利用来降低连接器处的阻

9、抗不连续，它能降低引脚的有效阻抗。因此，在做 仿真分析的时候必须仔细、严谨，以保证设计的合理性。通过使用比较宽的焊盘，或者加一个小薄 片，或者加宽连接器的引脚等方法都可以增大这个额外电容。但要提醒的是，如果没有两维或者三 维的工具模拟或者进行实验室测量，要想评估这个电容的影响是非常困难的。 5.2.3. 连接器串扰连接器串扰 串扰对于连接器性能的影响也很大。通常情况下，互感比互容的影响更大，因此，在一阶的近 似中，互容的影响通常可以忽略。如果需要更加精确的模拟，二维和三维的仿真器或者通过测试， 可以比较精确得反应连接器之间的相互耦合寄生效应。 连接器的两个引脚之间产生的互感可以用如下的表达式近

10、似计算Poon, 1995： (5.5a) (5.5b) 式中，0是自由空间的磁导率，l 是长度，s 是导体之间的中心距。可以注意到，连接器之间的 互感和导体的横截面及形状基本无关。 5.2.4.连接器引脚之间感性耦合场的效应连接器引脚之间感性耦合场的效应 观察图 5.2 中的连接器，从本质上讲，连接器的那些引脚形成了一个耦合电感网络。由于这种 研究问题的方便，我们考察三个驱动源，一个电源引脚，一个接地引脚。目标是驱动 2 的走线。在 引脚 2 上总的感应电压是由于其本身以及引脚 1 和引脚 3 的电流变化引起的： 3中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、

11、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 (5.6) 式中，İn代表 dIn/dt。假设每个缓冲器的电流和边沿速率是相同的，可以构建单线的等效模型来 做简化分析（相关部分参见 3.6.2 节）： (5.7) (5.8) 从公式（5.6）到（5.8）表明了多位同时开关的信号在通过连接器的时候，将如何产生感性噪 声，从而导致一系列取决于数据流模式的信号完整性问题。而电源和地引脚上感应噪声的影响常常 被忽略。 考虑图 5.3 所示电路。这是标准的 GTL+总线结构。当开关输出为低电平的时候，N 型管打 开，P 型管关闭；而输出高电平时，N 关闭，P 打开，就是在这样相反的开关过程中实现信号的高 Figure 5.3: 驱

12、动器开关输出低电平时连接器上的回路电流 速转换。我们现在考虑当总线被 N 型管拉到低电平时，电流会发生什么变化。电流从 Vtt引出，流 经传输线，信号引脚，通过 N 型器件，接着流经地层，接地引脚，最后回到 Vtt源。这个过程就是 图 5.3 中描述的电流回路路径。由于瞬变电流将流经接地引脚，那就将给系统引入一定的感性噪声 Lgndİ，因此，在分析中也需要考虑地回路上存在的电感。这种影响在几个缓冲器共享同一个接地引 脚的情况下尤其显著，如图 5.4 所示。在这种特殊的情况下，由于三倍大的电流将流经同一个接地 引脚，因而被引入系统的噪声为 3Lgndİ。当瞬变电流流经电源引脚时，也会产生相同的效

13、应。所以 在总线设计中，我们要注意了解其特殊的电流回路情况，这样才能在设计连接器的时候正确地考虑 瞬变电流流经电源和地引脚所产生的效应。GTL 和 CMOS 总线设计中的不同的电流回路情况以及 它们对于信号的影响将在第六章中详细探讨。总而言之，对于电流回路的理解是必需的，掌握了这 个理论之后才能实现连接器的优化设计。 4中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 Figure 5.4: 拥有几个驱动器的连接器的回路电流。 如图 5.3 和图 5.4 所示，我们暂时假设回路电流将全部流经同一个接地引脚。参考图 5.5，可 以得出电感在回流路径的

14、影响。图 5.5a 表示三个信号引脚感性耦合到一个地回路引脚上。注意，通 过三根信号传输线的所有电流都必须通过这个唯一的地引脚回流。图 5.5b 显示了地回路引脚的影 响，已经对代表信号路径的感应器模型做了修正，计入了感性地回路的效应。图 5.5a 所示系统的响 应情况可以通过如下一系列的公式来描述： (5.9) 是给定的简化模型中的电压。公式（5.9）的结果还可以很容易扩展到包含 N 个导体且共用 同一个信号地回路的系统： (5.10) 图 5.5b 中所示的电压可以用下式表示： (5.11) 注意：回路的等效电感可以简单地通过信号引脚电感，加上地回路电感，减去互感来计算。 5中国中国 PCB 技术网翻译整理技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣、夹湾沟、阿鸣 Figure 5.5: 回路电感合并到信号导体中： (a)三个信号感性耦