T29DesignCon譯文：描述25+Gbps連接器特性的新方法

2016-09-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:

這篇文章呈現(xiàn)了幾種描述連接器、過(guò)孔和印刷電路板特性的新的發(fā)現(xiàn)。指出減小信號(hào)之間的偏移可以提高整個(gè)通道的插入損耗對(duì)串?dāng)_的比率(ICR)。為了最優(yōu)化25+ Gbps通道的性能,專門(mén)鋪設(shè)了一塊集成了高密度BGA連接器和兩跟6英寸傳輸線的電路板,并且應(yīng)用了編織特性非常平整的Megtron-6板材。應(yīng)用了一種新的去嵌工具對(duì)兩根6英寸傳輸線進(jìn)行模型提取,這種工具可以通過(guò)優(yōu)化使得時(shí)域和頻域響應(yīng)完全匹配。連接器參數(shù)通過(guò)一塊大的電路板直接提取,并和3D仿真結(jié)果對(duì)比,過(guò)孔基于隨頻率變化的介電常數(shù)和浸錫效應(yīng)來(lái)仿真。指出在需要更少的內(nèi)存和CPU仿真時(shí)間的前提下,具有有效直徑的平滑過(guò)孔可以得到相似的阻抗和時(shí)延參數(shù)。最后,通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)說(shuō)明了連接器,過(guò)孔以及PCB在仿真和測(cè)試結(jié)果中有極好的一致性。

A簡(jiǎn)介

在芯片到芯片的連接通路中,連接器通常是最大的阻抗不連續(xù)點(diǎn)和串?dāng)_源。為了得到正確的連接器(IT5)參數(shù),必須設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)不會(huì)隨著PCB的變化而失真的測(cè)試工具,仿真模型也必須和測(cè)試工具有相同的尺寸和PCB板材。為了從測(cè)試工具提取連接器和過(guò)孔的參數(shù),還需要一個(gè)精確的去嵌工具。本文評(píng)估了PCB的結(jié)構(gòu)以及它對(duì)整個(gè)通道的性能影響。介紹了幾種可以很好的協(xié)同仿真和測(cè)試的新方法。

最初的測(cè)試工具主要凸顯了高速連接器的性能,但是測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果有很大的差異。用本文所介紹的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)新的測(cè)試工具后,測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果都有了很多的改善。如圖1所示,每一個(gè)測(cè)試工具由一個(gè)主板和一個(gè)子卡通過(guò)一個(gè)IT5連接器連接起來(lái)。每一個(gè)測(cè)試工具可以提供超過(guò)15個(gè)差分對(duì)以供測(cè)試。

主板和子卡都提供了6英寸的差分帶狀線,并連接到SMA接口。第一塊(舊的)PCB采用了FR408板材和RTF工藝,厚度為30層,第二塊(新的)采用了Megtron6的板材和超低剖面(Hyper very low profile,HVLP)銅面處理,板層為26層。另外,為了驗(yàn)證介質(zhì)材料和銅面效應(yīng),改變了玻璃纖維的種類來(lái)提高整個(gè)通道的性能。舊的PCB采用了常用的1080,新的PCB用了3313和2-ply 1078玻璃纖維來(lái)提高整體介質(zhì)的一致性。

圖2顯示了基于兩種測(cè)試工具對(duì)ICR的測(cè)試和仿真數(shù)據(jù),ICR曲線是IEEE 802.3ap規(guī)范里面的定義,用來(lái)比較通道中信號(hào)的衰減和不需要的噪聲。圖2的ICR曲線包含了SMA接頭、帶狀線、過(guò)孔以及連接器?；谂f的測(cè)試工具的仿真結(jié)果可以在19GHz之內(nèi)PASS,但是測(cè)試數(shù)據(jù)只能在11GHz之內(nèi)PASS。這么大的差別是由于PCB生產(chǎn)工藝和板材特性不夠完美引起的。

基于新的PCB的仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)吻合的很好,仿真模型也沒(méi)有隨著制程偏移有很大的變化。為了減少因?yàn)橹瞥唐贫鸬耐ǖ浪p,必須在前期仔細(xì)的設(shè)計(jì)PCB。圖2中對(duì)于新的PCB的測(cè)試結(jié)果有了很大的改善,這是因?yàn)閼?yīng)用了更好的PCB板材和PCB設(shè)計(jì)規(guī)范。本文后面的部分將來(lái)說(shuō)明如何設(shè)計(jì)新的PCB以及如何應(yīng)用新的去嵌工具和方法來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。

PCB材料選擇

在25+ Gbps通道設(shè)計(jì)中,PCB材料是一個(gè)非常重要的因素,它決定了整個(gè)通道的信號(hào)衰減和測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性。低損耗介質(zhì)加上平整的玻璃纖維可以很大程度的提高通道性能。有很多種不同的玻璃纖維和樹(shù)脂可以選擇,本文主要學(xué)習(xí)1080和1078兩種編織效應(yīng)以及對(duì)比其不同。

玻璃纖維編織效應(yīng)對(duì)信號(hào)對(duì)之間偏移的影響

1080編織的纖維束緊緊纏繞,產(chǎn)生出比較大的環(huán)氧樹(shù)脂束和玻璃編織。在圖3所示的例子中,一對(duì)差分帶狀線中一根線在環(huán)氧樹(shù)脂上面,另一根線在玻璃纖維上面。一般來(lái)說(shuō),環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)大約為3,但是玻璃纖維的介電常數(shù)根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,在5和6之間。不同的材料有不同的介電常數(shù),所以在環(huán)氧樹(shù)脂上面的傳輸線阻抗比較高,而在玻璃纖維上面的傳輸線阻抗比較低,而且傳輸延遲也和介電常數(shù)相關(guān),這導(dǎo)致兩條傳輸線的延時(shí)不一樣,這將造成差分線之間產(chǎn)生偏移。這種偏移會(huì)很大程度的影響通道的插入損耗和串?dāng)_。

對(duì)于1078來(lái)說(shuō),玻璃纖維束伸展開(kāi)來(lái),平坦的分布在表面之上,PCB玻璃纖維之間的空隙減小,每一根傳輸線所對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)在很大程度上趨向一致,所以差分線之間的延時(shí)匹配,也可以使差分對(duì)之間的偏移最小化。

從時(shí)域角度也可以看出這種差異,如圖4所示,在1080玻璃纖維編織的情況下,兩根傳輸線的阻抗(20/80上升時(shí)間為50ps)有很大不同。阻抗高的傳輸線也會(huì)有更快的信號(hào)傳輸。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,兩根單端線到達(dá)接口過(guò)孔處的時(shí)間不一樣,引起差分對(duì)之間的偏移。而在1078玻璃纖維編織的情況下,兩根單端線的阻抗非常接近,傳輸速度也一樣,所以到達(dá)過(guò)孔的時(shí)間也相似。

線間偏移會(huì)導(dǎo)致差分對(duì)性能衰減。圖5展示了一組差分對(duì)之間的偏移為~30ps時(shí),差模插入損耗和遠(yuǎn)端串?dāng)_的惡化情況。可以看出,線間偏移被修正以后,差模插入損耗和遠(yuǎn)端串?dāng)_都有了非常明顯的改善。為了整個(gè)通道達(dá)到好的性能和關(guān)聯(lián)性,最小化線間偏移的影響,在設(shè)計(jì)PCB的過(guò)程中深入了解材料特性和制造知識(shí)非常重要。

導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗

為了保證25+ Gbps的通道性能,必須理解銅和介質(zhì)材料的特性以及控制信號(hào)的衰減?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有很多不同種類的銅箔可供選擇,有反面處理銅箔(RTF),超低輪廓銅箔(VLP)以及超級(jí)低輪廓銅箔(HVLP)。不同種類的銅箔有不同的導(dǎo)體損耗特性和不同的價(jià)格。如果信號(hào)衰減不能在PCB設(shè)計(jì)階段精確的預(yù)測(cè),通道實(shí)際的眼高和眼寬可能和仿真結(jié)果會(huì)有不同。PCB介質(zhì)材料在介電常數(shù)和損耗特性上也有很大的差別,比如一般的FR408材料的損耗因子為0.015,而其他低損耗材料的損耗因子可能為0.005.

為了預(yù)測(cè)整個(gè)通道的全部損耗,必須要精確的計(jì)算導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗。IEEE網(wǎng)站提供了一份Excel表格,可以用于為802.3bj計(jì)算帶狀線的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗。它提供了Megtron-6,FR408以及Nelco N4000-1三種材料,數(shù)據(jù)包含了到20GHz以內(nèi)隨頻率變化的介電常數(shù)和損耗因子。只要用戶輸入傳輸線長(zhǎng)度,介質(zhì)層厚度和走線尺寸,工具就會(huì)技算出通道的損耗曲線。另外,還有三種銅箔粗糙度的選擇:低,中,高。

為了測(cè)試這個(gè)計(jì)算器的精確度,只測(cè)試了基于新舊兩種測(cè)試夾具上面兩對(duì)6英寸的帶狀線,表1給出了兩種測(cè)試夾具的結(jié)構(gòu),圖6顯示了RTF和HVLP的橫截面,圖7為兩種夾具的測(cè)試和預(yù)估的損耗結(jié)果,預(yù)估的結(jié)果是從上文提起的Excel計(jì)算器計(jì)算而得,其中RTF銅箔選用高粗糙度,HVLP銅箔選用低粗糙度。

隨頻率變化的DK值提取

FR408和Megtron-6是常用的PCB材料,但是不是所有的PCB都會(huì)用這兩種材料。另外,PCB玻璃纖維編織的種類也會(huì)改變材料的有效介電常數(shù)。下文描述的方法適用于帶狀線結(jié)構(gòu),可以有效提取任何材料的介電常數(shù)。為了得到可靠的數(shù)據(jù),這種方法需要一個(gè)精確的去嵌工具,下面介紹一種可以精確去嵌的新工具。

In-Situ去嵌

In-Situ去嵌(ISD)是AtaiTec公司提供的新的去嵌程序,它可以移除測(cè)試夾具的影響(SMA接口和引線)和提取DUT的S參數(shù)。這個(gè)工具的主要功能如下:

ISD需要2x長(zhǎng)度通過(guò)測(cè)試測(cè)試板,但是不需要和DUT板有相同的阻抗,這是因?yàn)镮SD僅僅使用測(cè)試板做為頻域和時(shí)域優(yōu)化的參考,不是用來(lái)直接去嵌。

ISD僅需要2個(gè)參數(shù):一個(gè)2x參考板的測(cè)試文件和一個(gè)從SMA到SMA DUT板的測(cè)試文件。用戶只要輸入這兩個(gè)文件,ISD會(huì)自動(dòng)去嵌SMA接口和連接引線的影響。ISD會(huì)輸出三個(gè)S參數(shù),左邊去嵌文件,右邊去嵌文件以及DUT本身。

圖8展示了一個(gè)例子,ISD之后的DUT阻抗是因果的,但是經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的TRL校準(zhǔn)以后的阻抗確實(shí)非因果的。傳統(tǒng)的方法會(huì)引起非因果問(wèn)題,主要是因?yàn)樾?zhǔn)和實(shí)際DUT的不同。

DK值提取

為了提取到精確的頻率相關(guān)的介電常數(shù),需要只對(duì)帶狀線測(cè)試,而這種測(cè)試允許存在由SMA接頭和過(guò)孔帶來(lái)的阻抗不連續(xù)。由于ISD移除了DUT板之外阻抗不連續(xù)的影響,剩下的DUT的結(jié)果就非常準(zhǔn)確了。這個(gè)例子中,為了提取一對(duì)6英寸的帶狀線,在相同的PCB層上構(gòu)建了一對(duì)6英寸的線和一對(duì)12英寸的線,其中6英寸的線主要是用來(lái)去嵌的。如圖9所示,ISD會(huì)從每一個(gè)SMA接口開(kāi)始去嵌,留下中間DUT的6英寸線。左邊和右邊的去嵌文件包含了SAM接口,SMA過(guò)孔和3英寸的帶狀線。

現(xiàn)在得到了6英寸帶狀線的測(cè)試數(shù)據(jù),下一步需要計(jì)算帶狀線周邊材料的介電常數(shù)。信號(hào)的傳輸速度可以在沒(méi)有不連續(xù)的情況下根據(jù)相位延時(shí)很容易的得到,然后隨頻率變化的介電常數(shù)可以通過(guò)光速和信號(hào)傳輸速度的比值得到:

驗(yàn)證PCB結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,PCB的制造工藝已經(jīng)非常精確,但是過(guò)孔和傳輸線的結(jié)構(gòu)還是會(huì)有變化。為了保證仿真模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)一致,必須進(jìn)行驗(yàn)證。

過(guò)孔的橫截面

新的測(cè)試夾具生產(chǎn)以后,提取了一對(duì)差分線過(guò)孔的橫截面(圖10)。像Via直徑、位置、Pad直徑,銅箔移位以及介質(zhì)厚度都經(jīng)過(guò)了測(cè)試并且發(fā)現(xiàn)和仿真的數(shù)據(jù)有一點(diǎn)不同。

滲鍍

滲鍍是在過(guò)孔孔壁上有小的突出物存在,這些突出物看起來(lái)是附著在和孔壁相交的玻璃纖維上,當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂損壞或和玻璃纖維分開(kāi)的時(shí)候,銅箔會(huì)和玻璃纖維一起移動(dòng),而環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)在鉆孔或?qū)訅旱墓ば蛑袚p壞。在新的測(cè)試夾具中,滲鍍?yōu)?0微米,IPC規(guī)范要求滲鍍不能大于80微米。

因?yàn)樯a(chǎn)新的測(cè)試夾具是為了25+ Gbps的數(shù)據(jù)速率,所以滲鍍對(duì)信號(hào)完整性的影響需要考慮。去嵌的測(cè)試數(shù)據(jù)包含了過(guò)孔和一條很短的線。創(chuàng)建了三種不同的仿真模型來(lái)觀察滲鍍的影響。最基本的情況是10mil的過(guò)孔,沒(méi)有滲鍍,第二個(gè)模型用100微米的同心圓使得有20微米在孔壁突出,來(lái)表示實(shí)際結(jié)構(gòu)。最后一個(gè)模型是10.6 mils直徑的平滑過(guò)孔,想要來(lái)觀察沒(méi)有同心圓的滲鍍影響。表格3比較了用HFSS來(lái)仿真這些模型所用的內(nèi)存和CPU時(shí)間。

圖12顯示了Ring model,10.6 mil模型和測(cè)試數(shù)據(jù)之間有很好的相關(guān)性。可以明顯的看出來(lái),為了精確和高效的仿真過(guò)孔,過(guò)孔的直徑可以比實(shí)際情況大一點(diǎn)來(lái)表示滲鍍的影響。

需要注意的是有和沒(méi)有20微米的滲鍍,在阻抗上會(huì)有大約2歐姆的差異(30ps上升時(shí)間的情況下)。如果PCB有80微米的滲鍍,阻抗的差異會(huì)更大一點(diǎn)。

通道性能

對(duì)于25+ Gbps的通道,插入損耗和串?dāng)_的比值(ICR)是一個(gè)非常重要的測(cè)試項(xiàng)目。仿真和測(cè)試的ICR數(shù)據(jù)不僅需要在整個(gè)通道上一致,而且需要在連接器+過(guò)孔的數(shù)據(jù)上一致。很好的一致性說(shuō)明整個(gè)仿真,設(shè)計(jì)以及參數(shù)提取方法在按照期望的方式進(jìn)行。

整個(gè)通道的一致性

PCB傳輸線的模型是仿真和測(cè)試一致性中最大變量中的一個(gè)。任何模型都不能復(fù)制由玻璃纖維和制造工藝帶來(lái)的隨機(jī)影響。本文介紹了級(jí)聯(lián)由仿真和ISD提取得到的連接器和過(guò)孔的新的方法,來(lái)完成對(duì)整個(gè)通道的一致性。

圖14比較了對(duì)于整個(gè)通道測(cè)試和仿真的差分阻抗,其中仿真模型由ISD提取的SMA+Trace模型和HFSS仿真的IT5連接器+過(guò)孔模型級(jí)聯(lián)而來(lái)。從圖14可以清楚的看到由ISD提取的PCB阻抗有很大的變動(dòng)性。測(cè)試和仿真僅有的區(qū)別是在IT5連接器+Via區(qū)域。

圖15說(shuō)明測(cè)試和仿真在各個(gè)參數(shù)中都由很好的一致性,插入損耗(IL),反射損耗(RL),近端串?dāng)_(NEXT)以及遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)。

圖16也說(shuō)明了仿真和測(cè)試在ICR參數(shù)上也有很好的一致性,它再次確認(rèn)了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于25+ Gbps信號(hào)的性能。

連接器和過(guò)孔的參數(shù)描述

連接器和過(guò)孔通常是系統(tǒng)通道中最大的阻抗不連續(xù)點(diǎn)和串?dāng)_源。為了理解通道的性能瓶頸,就需要理解連接器和過(guò)孔在實(shí)際的通道中的性能。本文說(shuō)明了在PCB設(shè)計(jì)中影響通道性能的主要因素,并且通過(guò)一個(gè)很大的演示板來(lái)描述連接器和過(guò)孔的參數(shù)。一塊比較大的演示板很容易通過(guò)實(shí)際操作來(lái)說(shuō)明器件的性能。而通過(guò)演示板來(lái)提取DUT的參數(shù)可以幫忙我們確認(rèn)導(dǎo)致仿真和測(cè)試不一致的原因。

圖18展示了整個(gè)通道以及去嵌之后連接器和過(guò)孔的阻抗波形。因?yàn)橛懈嗟母哳l信號(hào)保留,去嵌之后可以看到更多細(xì)節(jié)。去嵌掉SMA和PCB 走線之后,DUT(IT5連接器+Via)在仿真和測(cè)試之間有很好的一致性。

圖19展示了IT5連接器+過(guò)孔的IL,RL,NEXT,FEXT。仿真和測(cè)試之間的一致性保持的非常好,尤其是在DUT是從一個(gè)很大的電路板上提取而來(lái)的條件下。

圖20又一次展示了仿真和測(cè)試在ICR項(xiàng)目上的一致性。注意ICR在整個(gè)通道(圖16)和只有連接器+過(guò)孔(圖20)的相似性,可以理解這個(gè)例子中大部分串?dāng)_來(lái)自連接器和過(guò)孔,而ICR的變化很小。

結(jié)論

這篇文章討論了下面幾個(gè)主題:

?玻璃纖維以及其對(duì)信號(hào)偏移的影響

?信號(hào)偏移對(duì)插入損耗和串?dāng)_的影響

?滲鍍以及其對(duì)阻抗的影響

?用ISD提取DUT的參數(shù)

?提取帶狀線參數(shù)并計(jì)算隨頻率變化的DK值

?為了整個(gè)通道一致性,提取SMA和走線參數(shù)

為了論證IT5 連接器在25+ Gbps信號(hào)通道中的性能,制作了兩種測(cè)試夾具。新的測(cè)試夾具應(yīng)用了更好的材料和設(shè)計(jì)方法,也有了更好的性能。用ISD的方法來(lái)精確提取傳輸線模型,對(duì)于整個(gè)通道和只有連接器+過(guò)孔的結(jié)構(gòu)中,TDR,S參數(shù)和ICR都有很好的一致性。

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