Marin说PCB之高速信号SERDES (GMSL2)信号换层孔打在焊盘中心真的好吗?---01

一、关键前提:信号类型与过孔本质

上图所示的信号是 SERDES(高速串行)信号,这类信号的速率通常在 Gbps 级别,对过孔的寄生参数、阻抗连续性极其敏感。过孔本身会引入两种关键的寄生效应:

  1. 寄生电容:过孔的焊盘、反焊盘与参考平面形成的电容,会导致阻抗降低("阻抗凹陷")。

  2. 寄生电感:过孔的柱状导体、 stub(残桩)带来的电感效应,会导致阻抗升高。这两者共同作用,会造成信号完整性的恶化。

优化后设计如下:拉出来一小段走线而且尽量加粗这个走线。

二、我们分别从插损,回损,TDR这三个方向上对比分析

回损(Return Loss)

回损反映的是信号遇到阻抗不连续时的反射大小,是高速信号最核心的指标之一。

  • 方案 A(过孔直接打在焊盘中心) 信号从器件焊盘进入过孔时,阻抗会在同一位置发生两次突变

    • 从器件焊盘(阻抗≈50Ω,受封装影响)进入过孔焊盘,过孔焊盘的寄生电容会让局部阻抗骤降;

    • 紧接着进入过孔的柱状导体,寄生电感又会让阻抗瞬间抬升。两次阻抗突变叠加,会形成一个极窄但极深的阻抗凹陷,导致严重的信号反射,尤其是在高频段,回损会显著恶化。

  • 方案 B(焊盘→短走线→过孔) 信号从焊盘拉出一小段受控阻抗的走线后,再进入过孔,实现了阻抗变化的 "解耦"

    • 焊盘到走线的阻抗匹配度更高;

    • 走线到过孔的阻抗突变被 "分离",局部的阻抗凹陷幅度更小,反射能量被分散,不会形成严重的叠加效应。回损性能明显优于方案 A。

插损(Insertion Loss)

插损反映的是信号经过传输线后,能量被衰减的程度,包含导体损耗、介质损耗和辐射损耗,以及过孔带来的额外损耗。

  • 方案 A(过孔直接打在焊盘中心) 过孔直接打在焊盘中心时,过孔焊盘与器件焊盘几乎完全重合,寄生电容会显著增大,这会带来两个问题:

    • 高频信号更容易通过寄生电容耦合到参考平面,造成额外的能量损耗;

    • 过孔的残桩(stub)如果没有做背钻,会在高频形成谐振,导致特定频率点的插损急剧恶化。对于 SERDES 这类 Gbps 级信号,寄生电容带来的损耗在高频段会被放大,插损会明显比方案 B 差。

  • **方案 B(焊盘→短走线→过孔)**过孔与器件焊盘分离,过孔的寄生电容不会直接叠加在器件焊盘上,额外的电容损耗更小;同时,过孔可以优化反焊盘尺寸、位置,降低残桩效应,整体插损曲线更平滑,高频段的衰减也更小。

TDR(时域反射)

TDR 反映的是传输线的阻抗随时间(位置)的变化曲线,我们可以直观看到阻抗不连续的位置和幅度。

  • 方案 A(过孔直接打在焊盘中心) 在 TDR 曲线上,你会在焊盘 / 过孔的位置看到一个非常尖锐、幅度很大的阻抗凹陷,这个凹陷是过孔寄生电容的直接体现。凹陷越深、越窄,说明阻抗不连续越严重,信号在这个位置的反射越强,会导致信号眼图闭合、抖动增大。

  • **方案 B(焊盘→短走线→过孔)**在 TDR 曲线上,你会看到阻抗变化被 "拉长":焊盘处有一个小的阻抗变化,然后走线保持受控阻抗,过孔处有一个幅度更小、更平缓的阻抗凹陷。这种平缓的变化,对信号完整性的影响远小于方案 A 的尖锐凹陷,能更好地保持信号的完整性。

三、补充说明:过孔直接打在焊盘中心的适用场景

虽然方案 B 在 SERDES 信号中更优,但 "过孔直接打在焊盘中心(via-in-pad)" 并非一无是处,它主要适用于以下场景:

  1. BGA 封装的高密度引脚:当 BGA 引脚间距极小,没有空间拉出走线时,只能用 via-in-pad,通常搭配背钻、树脂塞孔工艺,减少残桩和寄生电容;

  2. 低速信号 / 电源信号:对信号完整性要求不高的低速信号或电源走线,via-in-pad 可以节省布线空间;

3,过孔尺寸极小(如激光盲埋孔):盲埋孔的残桩极短,寄生参数很小,via-in-pad 的影响可以忽略。

四、结论

对于我们单板上SERDES 高速信号,方案 B(焊盘拉出短走线再打孔)是更优的设计,在回损、插损、TDR 三个指标上都明显优于方案 A,能显著改善信号完整性。

好了,诸位道友们以上就是本期的所有内容了,我们下期文章不见不散。

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