优化PCB Via Stub系列（2） – 运用U-Turn Via设计破解阻抗匹配困境，改善信号完整性

在PCB设计中，往往透过制程改善如背钻、盲孔或埋孔，来消除不必要的Via stub，可是多出来的制造成本会压低产品的毛利，可是又有什么办法可以不透过制程改善以缩小Via stub带来的SI困扰呢？

本周我们来讲从Layout布局的角度以缩小Via stub长度，改善Via stub带来的不良影响，有效改善讯号质量。

传统设计带来的长Via Stub效应

在一个典型的ASIC与连接器的拓朴中，叠构为8层板，ASIC放在底层，原本若将走线安排在L3，会在Connector端的Via产生约40mil长的Via stub。 这个Via stub的长度主要是由板子的厚度所决定，不同板厚会有不同的数值。 虽然一个40mil长的Via stub在某些情况下可能看似问题不大，但这还需要根据具体的SI测试或模拟结果来判断。 通常这种设计在低速线路（<10Gbps）是还可以接受的，从Intel早期提供的文件来看，PCIe Gen3（8Gbps）是可以接受大约80mil的Via stub。

P.S. 实际可忍受的Via stub长度，还是要看SI模拟或测试的结果，Intel提供的文件主要是针对他们提出的Topology，跟您的设计不一定完全一样！

 

 

Intel对于PCIe Gen3~Gen5，不同世代Via stub长度的设计建议：

 

但在超过10Gbps的高速通道中，这么长的Via stub很容易导致信号传输异常。 透过TDR的分析，可以发现该走线会出现一个相当明显且深邃的阻抗掉落，这正是由于长Via stub导致的阻抗不匹配现象。 所以Return loss在10GHz的时候就直奔-10dB去了，要知道以一个阻抗匹配的通道，Return loss应该至少要小于-15dB（能做到-20dB就是Perfect了）。 因此，这种设计方案从SI的角度来看，是难以接受的。

U-Turn Via

那么，如何不依赖PCB制程，例如背钻、盲埋孔，以移除Via stub，仅从Layout调整上来消除长Via stub，该怎么做？ 除了我上周的文章介绍的走线层别规划外，还有一种叫U-Turn Via的解法：在原有路径上增加一颗额外的via，形成U-Turn Via设计。

以上述设计为例，若走线安排在L3层，原先从L3到L1的换层会产生一段长达40mil的Via stub。 为了改善这一情况，我们在Connector via前面新增一颗via，该Via首先将讯号从L3换层到底层L8，之后在L8走线，最终再由L8-L1的Connector via连回表层的连接器。 如此一来，原先在L3层产生的长Via stub就可以变成大概12mil的Via stub，缺点则是多出一颗Via，以及一段底层走线，SI设计者得好好控制这颗新增的Via的阻抗与走线长度。

 

 

U-Turn Via的信号完整性分析

实际执行SI电磁仿真，利用U-Turn Via设计后，可以明显观察到TDR阻抗曲线的改善。 由于原本长Via stub被完全移除，新通道的阻抗特性不再出现明显的掉落点，相反地，因为增加了一颗额外的Via，导致整个路径的阻抗会略微偏高。 但这个偏移可以通过进一步优化Via的anti-pad设计及调整P/N两颗Via之间的间距搞定。

 

从Return loss的模拟结果来看，原本在10GHz频率下仅有-10dB的Return loss，在经过U-Turn Via设计优化后，整个Return loss曲线完全改善，-10dB的频宽从10GHz，跑到图外面去了10GHz这个频率点优化了整整10dB至-20dB，效果绝佳！ 换言之，整个高速通道的阻抗匹配变得更好！

U-Turn Via设计准则整理

尽管U-Turn Via设计能够通过Layout改善，解决部分Via stub问题，但在实际应用中仍有一些需要注意的事项：

1. 控制新增的Via的阻抗当这颗Via阻抗偏高或偏低时，需要通过调整Via的anti-pad尺寸，与P/N via的间距，以改善阻抗。 不要让这个新增的Via变成额外设计上的负担。 这点除了手动优化这些参数外，也可以通过3D电磁模拟软件的Sweep功能或是现在正夯的AI引擎（例如Cadence Optimality）去有效率地改善阻抗。
2. 注意走线空间U-Turn Via设计的成功与否在于如何合理规划走线路径及层间转换。 不仅要在物理上消除长via stub，还需注意多出来的表层走线长度，我们提过表层走线的损耗是比较大的，所以多出来的走线如果太长，会加大整体通道损耗，反而有反效果，这就得不偿失，做白工。
3. 透过SI模拟分析通道的优化在设计修改后，必须搭配充分的TDR模拟与损耗模拟，确认改善效果。 并确认最终通道结果可以满足高速讯号界面的Spec，一个完整的SI分析，可以帮助设计者免除测试时不必要的烦恼！