基于HFSS的高速PCB信号完整性研究

摘要

随着电子技术的飞跃发展，高速系统的时钟频率不断提高，上升时间不断变短，印制电路板中传输线的性能对电子系统的影响越来越严重，印制电路板中传输线的信号完整性问题变得越来越重要。在低速电路中主要起电气连接作用的互连线在高速电路中表现为传输线，并可能导致在信号在正确的电气连接情况下发生错误。在这样的情况下，通过使用仿真工具来研究信号完整性问题是一种非常行之有效的方法，利用精确可靠的三维电磁场仿真，可以模拟高速电路板上的三维结构电磁场效应。HFSS软件作为高频结构仿真求解器，提供了许多最先进的求解器技术，它们基于有限元、积分方程或高级混合算法，可解决非常广泛的信号完整性问题。
　　传输线主要由铜箔和介质材料构成，对于铜箔，分别采用不同表面粗糙度的铜箔制作传输线，测出不同粗糙度传输线的损耗差异，与仿真的光滑传输线对比，得到粗糙度对信号传输的影响；对于介质材料，首先使用不同损耗因子的介质制作传输线获取其对损耗的影响，然后针对介质中的增强材料玻纤布，研究它在与传输线不同几何关系下对信号产生的影响；而介质材料本身的介电系数和损耗因子会随频率的改变而发生改变，通过测量不同频率的介电系数和损耗因子获取它们的变化趋势。
　　在PCB中布线时，有两种不连续结构不可避免，也不能被替代，那就是拐角和过孔。在高速设计中，过大的拐角会产生容性突变，必须对拐角外侧做切角处理，减小反射，通过HFSS对不同处理方法做定量研究，确定最佳处理方式。过孔作为PCB中最常见的不连续结构，使用HFSS通过单因子变量法研究孔的焊盘、反焊盘、残桩和接地孔对阻抗的影响。
　　最后，从PCB工艺管控入手，研究PCB制造时不可避免的缺陷对信号产生的影响。传输线的线宽和介质高度是一个管控要点，尤其是当线宽和介质厚度较小时，它们更容易引起传输线特性阻抗的改变。层间偏移在一定程度上影响信号，打靶时测出层偏量，钻孔时给一定的补偿。阻焊层厚度很小时，对阻抗产生很大影响，在设计时必须考虑清楚，如有需要需适当减小线宽。

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第一章 绪 论

1.1选题依据与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容

第二章 信号完整性基本问题

2.1 信号完整性概述

2.2 信号的时域和频域特性

2.3 传输线原理

2.4 传输线与反射

2.5 小结

第三章 信号完整性仿真分析技术

3.1 高速电路的新设计方法

3.2 信号完整性的仿真原理

3.3 HFSS仿真软件简介

3.4 信号完整性分析的协同仿真

3.4 小结

第四章 PCB的材料对信号完整性的影响

4.1 铜箔的表面粗糙度对信号的影响。

4.2 介质材料对信号的影响

4.3 材料特性与使用频率的关系

4.4 小结

第五章 传输线的不连续对信号完整性的影响

5.1 试验方案

5.2 拐角对信号的影响

5.3 过孔与阻抗控制

5.4 小结

第六章 PCB工艺管控对信号完整性的影响

6.1微带线宽和介质高度对信号的影响

6.2 侧蚀对阻抗的影响

6.3 层偏和钻偏

6.4 孔粗对信号的影响

6.5 阻焊层对阻抗的影响

6.6 小结

第七章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果