第5章 连接器、封装和过孔.pdfVIP

中国PCB 技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣 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 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，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π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，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PCB 技术网翻译整理 freesky98、夹湾沟、阿鸣 (5.1) 上式中，D 是过孔反焊盘的直径，D 是过孔焊盘的直径，T 是 PCB 的厚度， ε是相对介电常数。 2 1 r 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 是筒状孔壁的直径。 5.2. 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，RIM