影響 PCBA 可靠性的主要因素之一是在 PCB 的跡線上使用淚珠。淚珠非常有用，一些制造商可能需要在他們制造的 III 類產(chǎn)品中使用淚珠，目的是在鉆孔上擴(kuò)展環(huán)形圈。與可靠性的許多方面一樣，這些考慮因素也涉及信號(hào)完整性領(lǐng)域，尤其是當(dāng)可靠性更高的產(chǎn)品需要更大的數(shù)據(jù)處理能力并以更高的速度運(yùn)行時(shí)。

因?yàn)楦咚?a target="_blank">接口使用差分對(duì)運(yùn)行，自然會(huì)出現(xiàn)的問題是：

你應(yīng)該在差分對(duì)上使用淚珠嗎？

這是我們最近的播客嘉賓之一馬里奧·斯特拉諾（Mario Strano）向我提出的問題。這是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，因?yàn)闇I珠本質(zhì)上會(huì)在通孔的輸入端引入輸入阻抗偏差。從概念上講，我認(rèn)為這是一個(gè)很好的問題，因?yàn)?PCB 淚珠對(duì)可靠性很重要，它反映了對(duì)淚珠可以改變阻抗的認(rèn)識(shí)。在本文中，我將分解在差分對(duì)上使用淚珠時(shí)存在的問題以及這些問題如何影響阻抗。

為什么是淚珠？

首先，我認(rèn)為重要的是要記住為什么淚珠可能會(huì)放置在差分對(duì)（或任何其他走線）上被路由到通孔中。在制造過程中，當(dāng)為通孔或其他 NPTH/安裝孔鉆孔時(shí)，鉆頭可能會(huì)在鉆孔命中之間徘徊并稍微錯(cuò)過其鉆孔目標(biāo)。如果有很多漂移，鉆頭可能會(huì)從通孔中切斷連接跡線或焊盤，這可能會(huì)在電鍍后留下開路連接。

可以使用淚珠來幫助防止任何可能切斷連接到通孔焊盤的走線的突破。這里的想法是提供一些額外的銅，以幫助防止在制造過程中鉆孔的痕跡突破。

淚珠添加到 PCB 中的跡線。

一些 IPC Class 3 制造商會(huì)推薦淚珠，但這會(huì)帶來高速接口上的信號(hào)完整性問題。這些元素如何影響高速信號(hào)，尤其是差分對(duì)？這個(gè)問題很重要，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)高速接口使用差分信號(hào)，并且更多高可靠性產(chǎn)品正在采用這些協(xié)議。

向 RF 設(shè)計(jì)尋求智慧

信不信由你，我們可以再次從 RF PCB 設(shè)計(jì)實(shí)踐中尋求指導(dǎo)。我們?cè)谶@些差分跡線上有一個(gè)錐形部分，RF 工程師經(jīng)常使用它來匹配阻抗。事實(shí)上，錐形被用作從微帶到襯底集成波導(dǎo) (SIW) 和接地共面波導(dǎo)的過渡元件。這些元件提供的阻抗匹配可以是寬帶的，并在具有中等帶寬的射頻信號(hào)的諧振之間提供非常一致的相位響應(yīng)。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在檢查淚滴如何影響高速信號(hào)時(shí)，我們必須考慮三個(gè)挑戰(zhàn)：

帶寬：所有數(shù)字信號(hào)都有很寬的帶寬（理論上是無限的）；通道需要將頻率傳輸?shù)?Nyquist 頻率限制。

耦合：對(duì)于差分對(duì)，我們有一對(duì)耦合錐度，而不僅僅是一個(gè)單獨(dú)的錐度，耦合取決于走線寬度和間距。

錐形速率：淚滴逐漸變細(xì)到通孔焊盤寬度的速率決定了線對(duì)中一條跡線的單端阻抗變化的速率，從而決定了差分阻抗的變化速率。

錐形輪廓：淚珠輪廓是線性的還是彎曲的？這對(duì)于阻抗匹配和傳播也很重要。

由于這三點(diǎn)，要盡量減少淚滴對(duì)差分對(duì)的影響，需要選擇合適的錐度寬度和長度。但是，由于逐漸變細(xì)到更大的寬度會(huì)降低走線阻抗，因此您需要確保進(jìn)入過孔的輸入阻抗（僅在高頻下有效）低于錐形之前輸入走線的奇模阻抗。

對(duì)于差分線對(duì)，這意味著您需要控制線對(duì)之間的間距以及沿淚珠的錐度/長度。讓我們看一下這些要點(diǎn)：

錐度長度

接下來，我們應(yīng)該問，淚珠應(yīng)該使用什么錐度長度？再次，讓我們回到帶有錐度匹配部分的射頻系統(tǒng)。如果您需要具有一致回波損耗且在高帶寬下沒有諧振行為的匹配阻抗，則錐度需要提供平滑的阻抗轉(zhuǎn)換，直至達(dá)到所需的帶寬限制。這些錐形的帶寬限制由相變定義，以特定諧振頻率處的相長干涉為標(biāo)志（見下文）。

為什么要限制帶寬？這是因?yàn)樽呔€錐度就像一個(gè)高通濾波器，并且它具有一定的電氣長度，如果與通孔正確匹配，它將像它自己的一小段傳輸線一樣工作。我們可以通過（再次）從一般的錐度中獲得一些見解來看到錐度在哪里成為帶寬限制。下面的示例顯示了微帶走線從 50 Ohm 走線逐漸變細(xì)到 40 Ohm 輸出，并在 Rogers 3003 電介質(zhì)上帶有淚珠。我們可以立即看到，當(dāng)錐度變小時(shí)，帶寬限制會(huì)擴(kuò)展到更高的頻率。

用于 50 至 40 歐姆轉(zhuǎn)換的線性跡線錐形回波損耗頻譜。

我們只能在特定頻率下完美匹配，但在中頻范圍內(nèi)，回波損耗頻譜是平坦的。以上還假設(shè)錐度的輸出側(cè)與過孔完美匹配，但情況可能并非如此。如果是這樣，回波損耗會(huì)有所不同，并且將受較低頻率下通孔輸入處的反射系數(shù)支配。

確定輸入阻抗的解析表達(dá)式作為淚滴中錐度率的函數(shù)是我將在該主題的第二部分中研究的內(nèi)容，因此我將其保存以備后用，因?yàn)樗档脝为?dú)寫一篇文章。

淚珠間距

差分對(duì)中的間距將部分決定該對(duì)中每條跡線的奇模阻抗。如果跡線彼此逐漸變細(xì)，則淚滴區(qū)域之間減小的間距會(huì)進(jìn)一步降低通向通孔的阻抗。對(duì)輸入阻抗（以及因此的 S 參數(shù)和通道順應(yīng)性）的影響將受到間距和錐度長度以及錐度角度的影響。

差分對(duì)上的淚滴之間的間距走線到通孔。

如果間距已經(jīng)很大，并且您將淚珠應(yīng)用于差分對(duì)而不傾斜它們，則會(huì)出現(xiàn)大于正常的奇模阻抗偏差，因?yàn)殚g距沿錐度的長度減小。單端阻抗已經(jīng)沿錐體長度減小，但沿錐體長度的較小間距將進(jìn)一步降低阻抗。

如果您設(shè)計(jì)的差分對(duì)沒有太小的間距（右側(cè)），并且在您的對(duì)下方使用了薄電介質(zhì)（特別是對(duì)于微帶線），那么在一對(duì)差分過孔處應(yīng)用淚珠不會(huì)對(duì)阻抗。阻抗已經(jīng)被接地的存在所支配。然后，如果您調(diào)整走線的角度，您會(huì)看到與查看通孔對(duì)的差分阻抗相比，阻抗偏差較小。

設(shè)計(jì)規(guī)則

基于上面列出的幾點(diǎn)，我們得出以下差分對(duì)淚滴的結(jié)果：

更大的信號(hào)帶寬將需要更小的淚滴錐形距離

嘗試將淚珠部分傾斜以保持邊緣到邊緣的間距不變

最終寬度應(yīng)與差分過孔的輸入阻抗匹配

如果可能，淚滴區(qū)域應(yīng)在通孔對(duì)的輸入和輸出處對(duì)稱

不幸的是，在第 3 點(diǎn)中聲明“應(yīng)該匹配差分過孔/焊盤的輸入阻抗”說起來容易做起來難。我知道只有一種方法可以為差分通孔阻抗計(jì)算提供任何級(jí)別的精度，它從計(jì)算通過一對(duì)差分通孔的傳播延遲開始。大多數(shù)單端通過阻抗計(jì)算器是完全不準(zhǔn)確的，并且不會(huì)產(chǎn)生任何與 TDR 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配的結(jié)果，因此從那里開始是沒有意義的。此外，大多數(shù)通過阻抗計(jì)算器不是基于寬帶模型，因此它們不會(huì)考慮傳播和模式激勵(lì)，因此它們不會(huì)產(chǎn)生在高頻下準(zhǔn)確的結(jié)果，而這正是您需要高速信號(hào)精度的地方！

可靠性不需要淚珠

盡管通常建議使用淚珠來確?？煽啃?，并且一些制造商原則上會(huì)推薦它們用于任何 3 類產(chǎn)品，但它們并不是可靠性所必需的。例如，在 OpenVPX背板中，您不會(huì)看到任何對(duì)淚珠的要求，而且我從未被要求將它們添加到這些背板之一（3U 或 6U）中。我提出了這個(gè)特殊的開放標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠浯_?？煽啃运璧脑O(shè)計(jì)要求比您為 2 類或 3 類產(chǎn)品實(shí)施的要求更為保守，并且它們部署在一些最惡劣的環(huán)境（軍用航空）中。

就淚滴評(píng)估而言，可以使用模擬來確定錐度長度和錐度率何時(shí)太小/太大，以至于它們開始影響信號(hào)行為。要檢查的關(guān)鍵指標(biāo)是查看互連淚滴部分的 S 參數(shù)，特別是查看 S11（回波損耗）以確定是否存在不可接受的阻抗偏差。一些專門的電磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）將半自動(dòng)計(jì)算 S11，并將淚珠應(yīng)用于跡線。

審核編輯 ：李倩