配电网络（PDN）的堆叠过孔：设计和优化

如果您希望增强 PCB 设计中的电源完整性，配电网络 （PDN） 的堆叠过孔将改变游戏规则。它们有助于实现低阻抗，确保稳定地向关键组件供电。

什么是堆叠过孔，为什么它们对 PDN 很重要？

堆叠过孔是印刷电路板 （PCB） 中的垂直互连，可直接将多层连接在一起，这与偏移的交错过孔不同。在配电网络 （PDN） 中，堆叠过孔通过为层之间的电源和接地连接提供直接、低阻抗的路径发挥着至关重要的作用。这确保了将电力有效地输送到组件，而不会出现明显的电压降或噪声。

电源完整性是现代 PCB 设计中的首要问题，特别是对于高速和高性能应用。精心设计的 PDN 可以最大限度地减少阻抗、降低噪声并防止信号失真或系统故障等问题。堆叠过孔通过缩短电流路径和降低寄生电感来帮助实现这一目标，否则寄生电感会中断电力传输。例如，在多层 PCB 中，与交错过孔相比，使用堆叠过孔可以将环路电感降低多达 30%，从而确保更清洁的功率分配。

低阻抗在配电中的作用

低阻抗是有效 PDN 的支柱。配电网络中的阻抗是指电流流动的对立，高阻抗会导致高速电路中的电压下降、噪声和性能不佳。堆叠过孔是实现低阻抗的关键策略，因为它们在电源层和接地层之间建立了更直接的连接，从而最大限度地减少了电流必须传播的路径长度。

实际上，降低阻抗可能意味着稳定的系统和受到电源完整性问题困扰的系统之间的区别。例如，在工作频率为 1 GHz 的高速设计中，即使是 1 nH 的小电感也会产生显着的噪声。堆叠过孔可以通过提供更短、更高效的路径来降低这种电感，与传统的过孔布置相比，通常将阻抗降低 20-40%。

通过关注 PDN 中的低阻抗，您可以确保组件即使在动态负载条件下也能获得所需的稳定电压。这对于数据中心、电信和汽车电子等电力需求快速波动的应用尤其重要。

堆叠过孔在 PCB 设计中电源完整性的优势

在 PCB 设计中使用堆叠过孔具有多种优势，可直接影响电源完整性和整体电路板性能。让我们分解一下主要优势：

• 降低寄生电感：堆叠过孔最大限度地减少了电流流动的环路面积，从而降低了寄生电感。这对于高频设计至关重要，因为即使是很小的电感也会引入噪声。

• 改进的电力传输：由于电源层和接地层之间的路径更短，堆叠过孔可确保更快、更高效的供电，从而减少压降。

• 空间效率：与交错过孔相比，堆叠过孔占用的水平空间更少，从而可以在多层板中实现更密集的布局。

• 增强的信号完整性：通过稳定电源，堆叠过孔间接提高了信号完整性，因为组件接收一致的电压而不会波动。

这些优点使堆叠过孔成为从事电源完整性不能受到影响的复杂设计的工程师的首选。例如，在服务器应用的 10 层 PCB 中，使用堆叠过孔可以帮助在关键电源网络上将目标阻抗保持在 1 mΩ 以下，从而确保可靠运行。

PDN 中堆叠过孔的设计注意事项

虽然堆叠过孔具有显着的优势，但其实施需要仔细规划以避免潜在的陷阱。以下是一些需要牢记的关键设计注意事项：

1. 制造约束

与交错过孔相比，堆叠过孔，尤其是涉及微孔的过孔，制造起来可能更具挑战性和成本。它们通常需要先进的工艺，例如顺序层压或激光钻孔。确保您的设计符合制造合作伙伴的能力，以避免延误或缺陷。例如，堆叠配置中使用的微孔直径通常为 0.1 毫米至 0.15 毫米，并非所有制造商都能可靠地生产这些小特征。

2. 热管理

由于电流密度高，堆叠过孔可以将热量集中在小区域。为防止过热，请考虑在附近添加热通孔或在电源层上使用较厚的铜层。一般经验法则是将电流密度保持在 500 A/cm2 以下，以避免热问题。

3. 放置和布线

将堆叠过孔战略性地放置在处理器或 FPGA 等大电流组件附近，以最大限度地减少电源必须传输的距离。此外，确保电源和接地过孔紧密配对，以减少环路电感。一种常见的做法是在每个电源通孔的 0.5 mm 范围内放置一个接地通孔，以优化电流返回路径。

4. 层叠设计

在多层 PCB 中，电源层和接地层的排列会影响 PDN 性能。将电源层和接地层彼此相邻放置，以最大限度地提高电容并降低阻抗。堆叠过孔应直接通过这些平面连接，无需不必要的弯路，以保持低阻抗。

堆叠式 Via PDN 的优化策略

为了充分利用 PDN 中的堆叠过孔，优化是关键。以下是一些行之有效的增强配电和保持电源完整性的策略：

1. 有效使用去耦电容器

去耦电容器与堆叠过孔协同工作，以稳定电压和滤波噪声。将高频电容器（例如，0.1 μF）放置在尽可能靠近IC的电源引脚的位置，并使用堆叠过孔将它们连接到电源层和接地层。这种设置可以降低高达 100 MHz 频率的阻抗峰值，从而确保更平坦的阻抗曲线。

2. 在不牺牲性能的情况下最大限度地减少过孔数

虽然使用许多堆叠过孔来实现冗余可能很诱人，但过多的过孔会增加制造复杂性和成本。使用仿真工具确定满足阻抗目标所需的最佳过孔数量。例如，在具有 1.2 V 电源轨的设计中，仿真可能表明每个电源引脚有四个堆叠过孔足以将阻抗保持在 5 mΩ 以下。

3. 利用仿真和分析工具

电源完整性仿真工具可以对 PDN 的行为进行建模，并帮助在制造前识别潜在问题。这些工具分析阻抗、压降和电流密度等因素，使您能够微调堆叠过孔的放置和配置。目标是目标阻抗至少比设计的最大允许值低 10%，以考虑制造变化。

4. 平衡成本和性能

堆叠过孔，尤其是涉及盲孔或埋入微孔的过孔，会增加生产成本。权衡性能优势与预算限制。对于要求不高的应用，结合堆叠和交错过孔的混合方法可能会提供经济高效的折衷方案，同时仍保持足够的电源完整性。

常见挑战以及如何克服它们

设计带有堆叠过孔的 PDN 并非没有挑战。以下是工程师面临的一些常见问题以及解决这些问题的实用解决方案：

• 信号串扰：堆叠过孔放置得太靠近信号走线会导致串扰，从而降低信号完整性。在信号走线和电源过孔之间保持至少 3 倍过孔直径的间隙，以最大限度地减少干扰。

• 可靠性问题：重复的热循环会对堆叠过孔（尤其是微孔）施加压力，导致裂纹或失效。使用具有低热膨胀系数 （CTE） 的优质材料，并遵守 IPC-6012 等行业标准以确保过孔可靠性。

• 大电流处理：在具有高电流要求的设计中，单个堆叠过孔可能不够。并联使用多个过孔均匀分配电流，确保每个过孔处理的电流不超过 1-2 A，以防止过热。

堆叠过孔在 PDN 中的实际应用

堆叠过孔广泛应用于电源完整性不容谈判的行业。例如，在电信设备中，它们可确保稳定地向频率高于 10 GHz 的高速收发器传输电力。在汽车电子产品中，堆叠过孔有助于管理高级驾驶辅助系统 （ADAS） 中的配电，在这些系统中，不同热条件下的可靠性至关重要。即使在智能手机等消费电子产品中，堆叠过孔也能在不牺牲性能的情况下实现紧凑的多层设计。

考虑具有 12 层叠层的高速服务器主板。通过使用堆叠过孔直接连接关键组件下方的电源层和接地层，工程师可以实现 0.5 mΩ 的目标阻抗，确保即使在重负载下电压波动也保持在标称值的 ±5% 以内。

通过堆叠过孔提高电源完整性

堆叠过孔是在 PCB 设计中优化配电网络的强大工具。通过降低阻抗、改善电力传输和增强整体电源完整性，它们使工程师能够应对现代高速和高性能应用的挑战。虽然它们的设计和实施需要仔细规划，但如果正确执行，堆叠过孔的好处远远超过复杂性。

从战略布局和层叠设计到利用仿真工具和平衡成本，成功的关键在于深思熟虑的优化。随着 PCB 设计在速度和密度方面不断突破界限，对于旨在提供可靠、高效和高性能电路板的工程师来说，掌握堆叠过孔的使用 PDN 仍将是一项关键技能。