信号完整性（SI）是衡量电路性能的核心指标，而过孔是影响信号完整性的关键因素之一。随着信号频率和速率的不断提升，过孔的寄生效应、阻抗不连续性和串扰问题愈发突出，直接影响信号的传输质量。本文结合捷配 PCB 的实战经验，从信号完整性的关键参数入手，详细解析过孔对信号完整性的影响，并提出针对性的优化方法，帮助工程师设计出高性能的高频 PCB。
信号完整性的关键参数包括：反射系数（S11）、插入损耗（S21）、串扰（XTalk）、眼图等。这些参数从不同角度反映了信号的传输质量，是高频 PCB 设计的重要依据。
反射系数是指反射信号功率与入射信号功率的比值，通常以分贝（dB）为单位。反射系数的绝对值越小，说明信号反射越小，信号完整性越好。在高频设计中，反射系数通常要求小于 - 10dB。
过孔的阻抗不连续性是导致信号反射的主要原因。当信号通过过孔时，由于过孔的阻抗与传输线的阻抗不匹配，部分信号会被反射，影响信号的传输质量。
插入损耗是指传输信号通过过孔后的功率损耗，通常以分贝（dB）为单位。插入损耗的绝对值越小，说明信号损耗越小，信号完整性越好。在高频设计中，插入损耗通常要求小于 3dB。
过孔的寄生电阻和辐射损耗是导致插入损耗的主要原因。当信号通过过孔时，部分能量会被寄生电阻消耗，部分能量会以电磁波的形式辐射出去，导致信号损耗。
串扰是指相邻信号之间的电磁耦合，导致信号失真。串扰通常以分贝（dB）为单位，绝对值越大，说明串扰越小，信号完整性越好。在高频设计中，串扰通常要求小于 - 20dB。
过孔之间的电磁耦合是导致串扰的主要原因。当信号通过过孔时，会产生电磁辐射，影响相邻过孔的信号传输，导致串扰。
眼图是指通过示波器观察到的数字信号的叠加图形，其形状类似眼睛。眼图的张开度越大，说明信号的抖动和失真越小，信号完整性越好。在高频设计中，眼图的张开度通常要求大于 50%。
过孔的寄生效应和阻抗不连续性会导致信号的抖动和失真，影响眼图的张开度。
过孔的寄生电容和寄生电感会导致信号的阻抗不连续性，从而引起信号反射。寄生电容会使信号的上升沿变缓，寄生电感会使信号的下降沿变缓，两者都会导致信号的失真。
例如，在一个频率为 5GHz 的电路中，一个直径 0.4mm 的过孔，其寄生电容约为 0.3pF，寄生电感约为 1.2nH，会导致信号反射系数大于 - 10dB，眼图张开度小于 50%，严重影响信号完整性。
过孔的阻抗与传输线的阻抗不匹配，会导致信号反射。过孔的阻抗主要受过孔直径、反焊盘直径、介质厚度和介电常数影响。当过孔的阻抗与传输线的阻抗相差较大时，信号反射会非常严重。
例如，在一个阻抗为 50Ω 的传输线中，若过孔的阻抗为 70Ω，信号反射系数会达到 - 6dB，严重影响信号完整性。
过孔之间的电磁耦合会导致串扰。当信号通过过孔时，会产生电磁辐射，影响相邻过孔的信号传输。串扰的大小与过孔之间的距离、信号频率、过孔数量等因素有关。
例如，在一个频率为 10GHz 的电路中，若两个过孔之间的距离为 0.5mm，串扰会达到 - 15dB，严重影响信号完整性。
过孔的电磁辐射会导致信号损耗和 EMC 问题。当信号通过过孔时，部分能量会以电磁波的形式辐射出去，导致信号损耗。同时，电磁辐射会影响周围的电路和设备，导致 EMC 测试失败。
- 减小过孔直径：在满足制造工艺和机械强度的前提下，尽量减小过孔直径。捷配支持最小 0.15mm 的过孔直径，能有效降低寄生参数。
- 增加反焊盘直径：增大反焊盘直径，减小过孔与接地层之间的耦合电容。在高频设计中，反焊盘直径应比过孔直径大 0.2~0.4mm。
- 缩短过孔长度：采用薄芯板叠层结构，减小板厚，缩短过孔长度。捷配提供定制化叠层设计服务，能有效缩短过孔长度。
- 采用微过孔：微过孔的寄生参数更小，更容易实现与传输线的阻抗匹配。捷配支持最小 0.15mm 的微过孔加工。
- 仿真优化过孔阻抗：通过仿真工具（如 ANSYS HFSS、Cadence SIwave）优化过孔结构，实现过孔阻抗与传输线阻抗的匹配。
- 采用阻抗匹配过孔：在过孔周围增加接地过孔，形成屏蔽结构，同时调整过孔直径和反焊盘尺寸，实现阻抗匹配。
- 控制传输线与过孔的连接：传输线与过孔的连接应平滑过渡，避免阻抗突变。可采用渐变线或弧形过渡的方式，降低信号反射。
- 增大过孔间距：相邻过孔之间的间距应不小于 2 倍过孔直径，且过孔与周边元器件的距离应大于 0.5mm。
- 布置接地过孔：在信号过孔周围均匀布置接地过孔，形成屏蔽环，减少信号辐射和串扰。接地过孔与信号过孔的距离应不超过 0.5mm，数量不少于 4 个。
- 差分过孔对称布局：对于差分信号过孔，应保持对称，避免阻抗不平衡。差分过孔之间的间距应与差分传输线的间距一致。
- 采用接地过孔阵列：在高频板的边缘、接口处布置满接地过孔阵列，形成电磁屏蔽墙，防止外部干扰进入和内部信号辐射。
- 采用金属化过孔：金属化过孔能有效降低电磁辐射，提高信号完整性。捷配提供金属化过孔加工服务，能满足高频板的设计需求。
- 优化屏蔽层设计：在高频板中增加屏蔽层，将过孔包围在屏蔽层内，降低电磁辐射。
过孔对高频 PCB 的信号完整性有着至关重要的影响，工程师应通过优化过孔结构、阻抗、布局和屏蔽，提升信号完整性。捷配作为专业的 PCB 制造商，拥有丰富的高频板设计和制造经验，能为客户提供从设计优化到量产的一站式服务。通过本文介绍的优化方法，工程师可有效提升高频 PCB 的信号完整性，设计出高性能的产品。
微信公众号
微信小程序
抖音视频号
浙公网安备 33010502006866号