現(xiàn)代高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，過(guò)孔對(duì)PCB信號(hào)完整性的影響不容忽視。在高速設(shè)計(jì)中往往要采用多層PCB，而在多層板中，信號(hào)從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚踊ミB線就需要通過(guò)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，在頻率低于1GHz時(shí)，過(guò)孔能起到一個(gè)很好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略。當(dāng)頻率高于1GHZ后，過(guò)孔的寄生效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的影響就不能忽略，此時(shí)過(guò)孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射、延時(shí)、衰減等信號(hào)完整性問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)通過(guò)過(guò)孔傳輸至另外一層時(shí)，信號(hào)線的參考層同時(shí)也作為過(guò)孔信號(hào)的返回路徑，并且返回電流會(huì)通過(guò)電容耦合在參考層間流動(dòng)，并引起地彈等問(wèn)題。

試驗(yàn)制作了不同層數(shù)測(cè)試板，信號(hào)過(guò)孔孔徑設(shè)計(jì)值為0.20-0.50 mm，過(guò)孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為0.5-2.0 mm，設(shè)計(jì)了不同尺寸焊盤、反焊盤。為研究多余短柱對(duì)過(guò)孔阻抗、損耗的影響，試驗(yàn)通過(guò)背鉆技術(shù)，控制背鉆深度獲得了不同短柱長(zhǎng)度單端過(guò)孔，過(guò)孔長(zhǎng)度為0.20-0.80 mm。

試板制作流程：開料→烘板→內(nèi)層干膜→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)AOI→棕化→層壓→鉆孔→去鉆污→沉銅→外層電鍍→鍍錫→背鉆→外層蝕刻→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外AOI→阻焊→沉金→銑板……

試板制作完成后采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試含過(guò)孔單端線的TDR曲線和S參數(shù)，通過(guò)過(guò)孔處TDR曲線變化情況獲得過(guò)孔阻抗值，并通過(guò)S參數(shù)分析過(guò)孔損耗。

過(guò)孔參數(shù)對(duì)阻抗連續(xù)性的影響
過(guò)孔長(zhǎng)度是影響過(guò)孔電感的主要因素之一。對(duì)用于頂，底層導(dǎo)通的過(guò)孔，過(guò)孔長(zhǎng)度等于PCB板厚度，由于PCB層數(shù)的不斷增加，PCB厚度常常會(huì)達(dá)到5 mm以上。然而，高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為減小過(guò)孔帶來(lái)的問(wèn)題，過(guò)孔長(zhǎng)度一般控制在2.0 mm以內(nèi)。
如果過(guò)孔長(zhǎng)度由1.0 mm增加至2.0 mm時(shí)，由于過(guò)孔電感的迅速增加，導(dǎo)致過(guò)孔阻抗也迅速增加，即過(guò)孔長(zhǎng)度越大，過(guò)孔阻抗不連續(xù)性越差。當(dāng)過(guò)孔長(zhǎng)度在1.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)過(guò)孔參數(shù)優(yōu)化，可以將過(guò)孔引起的阻抗變化控制在10%內(nèi)，但過(guò)孔長(zhǎng)度超過(guò)1.5 mm時(shí)，過(guò)孔阻抗不連續(xù)性問(wèn)題變得難以解決。
當(dāng)過(guò)孔孔徑由0.20 mm增加至0.50 mm時(shí)，過(guò)孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。這主要是由于過(guò)孔孔徑增加后導(dǎo)致過(guò)孔電容增加，而過(guò)孔阻抗與電容呈反比。對(duì)于過(guò)孔長(zhǎng)度大于2.0 mm過(guò)孔，通過(guò)增加過(guò)孔孔徑，可在一定程度上提高過(guò)孔阻抗連續(xù)性。當(dāng)過(guò)孔長(zhǎng)度為1.0 mm及以下時(shí)，最佳過(guò)孔孔徑為0.20-0.30 mm。
當(dāng)過(guò)孔焊盤直徑由0.45 mm增加至0.55 mm時(shí)，過(guò)孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。這是由于過(guò)孔焊盤尺寸增加，同樣會(huì)導(dǎo)致過(guò)孔電容增加。由測(cè)試結(jié)果可以得出，過(guò)孔焊盤尺寸每增加0.05 mm，過(guò)孔阻抗約下降0.5-0.7 ohm。

接地孔對(duì)過(guò)孔阻抗和損耗的影響
對(duì)于一個(gè)4層板，當(dāng)信號(hào)由頂層傳輸線轉(zhuǎn)至底層時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況。第一種表示信號(hào)過(guò)孔旁沒(méi)有地孔的情況，此時(shí)信號(hào)通過(guò)過(guò)孔時(shí)，返回路徑通過(guò)兩地層返回，未受控的返回電流產(chǎn)生了地彈效應(yīng)，且信號(hào)通過(guò)過(guò)孔時(shí)產(chǎn)生的電磁波（EM）在兩底層上傳輸，導(dǎo)致電壓波動(dòng)，引起信號(hào)完整性問(wèn)題。第二種為增加接地孔情況，此時(shí)接地孔為過(guò)孔信號(hào)提供了完整的返回路徑，同時(shí)也為過(guò)孔信號(hào)提供了參考孔，從而提高了信號(hào)過(guò)孔的阻抗連續(xù)性，并減小信號(hào)損耗。
過(guò)孔阻抗隨接地孔數(shù)量增加而降低。這是由于隨接地孔數(shù)量增加，信號(hào)過(guò)孔與地孔間電容增加，即調(diào)整接地孔數(shù)量可有效控制過(guò)孔阻抗。當(dāng)信號(hào)孔與接地孔距離由0.40 mm增加至0.70 mm時(shí)，過(guò)孔阻抗呈不斷增加趨勢(shì)。與傳輸線以地層作為參考層類似，增加接地孔后，信號(hào)過(guò)孔以接地孔為參考孔。當(dāng)信號(hào)孔與接地孔距離增加后，信號(hào)孔與接地孔間電容降低，過(guò)孔阻抗增加。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整信號(hào)孔與接地孔之間的距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)孔阻抗的控制。

多余短柱對(duì)過(guò)孔阻抗和損耗的影響
在高速多層PCB中，當(dāng)信號(hào)從頂層傳輸?shù)絻?nèi)部某層時(shí)，用通孔連接就會(huì)產(chǎn)生多余的導(dǎo)通孔短柱，短柱極大地影響著信號(hào)的傳輸質(zhì)量。當(dāng)信號(hào)在通過(guò)過(guò)孔傳輸?shù)阶杩蛊ヅ涞牧硪粚泳€路時(shí)，會(huì)有一部分能量被傳遞到過(guò)孔的短柱上，而這一部分由于沒(méi)有任何的阻抗終結(jié)，所以可以被看作是全開路狀態(tài)，因此這個(gè)分支便會(huì)造成剩余能量的全反射，這大大地削弱了信號(hào)質(zhì)量，損壞了原始信號(hào)的完整性。采用盲孔和埋孔，可有效避免短柱對(duì)信號(hào)完整性的影響，但該技術(shù)工藝復(fù)雜且成本高。而采用背鉆技術(shù)將信號(hào)孔中多余的短柱鉆掉，可獲得更好的過(guò)孔信號(hào)傳輸質(zhì)量，所以，研究短柱對(duì)過(guò)孔信號(hào)完整性的影響有助于平衡成本與性能。

通過(guò)對(duì)過(guò)孔設(shè)計(jì)參數(shù)孔徑、過(guò)孔長(zhǎng)度、焊盤/反焊盤尺寸進(jìn)行優(yōu)化可有效提高過(guò)孔阻抗連續(xù)性。當(dāng)過(guò)孔長(zhǎng)度小于1.0 mm時(shí)，可通過(guò)對(duì)這4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將過(guò)孔引起的阻抗變化控制在10%以內(nèi)。為過(guò)孔信號(hào)提供返回路徑，可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)孔阻抗的控制，并能降低過(guò)孔的信號(hào)損耗。采用4個(gè)接地參考孔時(shí)，過(guò)孔阻抗可通過(guò)同軸電纜阻抗公式近似計(jì)算。多余短柱會(huì)導(dǎo)致過(guò)孔阻抗降低，損耗增加。

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