T29DesignCon譯文：描述25+Gbps連接器特性的新方法

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

摘要:

這篇文章呈現(xiàn)了幾種描述連接器、過孔和印刷電路板特性的新的發(fā)現(xiàn)。指出減小信號之間的偏移可以提高整個通道的插入損耗對串?dāng)_的比率(ICR)。為了最優(yōu)化25+ Gbps通道的性能,專門鋪設(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兩根6英寸傳輸線進行模型提取,這種工具可以通過優(yōu)化使得時域和頻域響應(yīng)完全匹配。連接器參數(shù)通過一塊大的電路板直接提取,并和3D仿真結(jié)果對比,過孔基于隨頻率變化的介電常數(shù)和浸錫效應(yīng)來仿真。指出在需要更少的內(nèi)存和CPU仿真時間的前提下,具有有效直徑的平滑過孔可以得到相似的阻抗和時延參數(shù)。最后,通過相關(guān)數(shù)據(jù)說明了連接器,過孔以及PCB在仿真和測試結(jié)果中有極好的一致性。

A簡介

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)點和串?dāng)_源。為了得到正確的連接器(IT5)參數(shù),必須設(shè)計一個測試數(shù)據(jù)不會隨著PCB的變化而失真的測試工具,仿真模型也必須和測試工具有相同的尺寸和PCB板材。為了從測試工具提取連接器和過孔的參數(shù),還需要一個精確的去嵌工具。本文評估了PCB的結(jié)構(gòu)以及它對整個通道的性能影響。介紹了幾種可以很好的協(xié)同仿真和測試的新方法。

最初的測試工具主要凸顯了高速連接器的性能,但是測試數(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)計了一個新的測試工具后,測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果都有了很多的改善。如圖1所示,每一個測試工具由一個主板和一個子卡通過一個IT5連接器連接起來。每一個測試工具可以提供超過15個差分對以供測試。

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,為了驗證介質(zhì)材料和銅面效應(yīng),改變了玻璃纖維的種類來提高整個通道的性能。舊的PCB采用了常用的1080,新的PCB用了3313和2-ply 1078玻璃纖維來提高整體介質(zhì)的一致性。

圖2顯示了基于兩種測試工具對ICR的測試和仿真數(shù)據(jù),ICR曲線是IEEE 802.3ap規(guī)范里面的定義,用來比較通道中信號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、過孔以及連接器?；谂f的測試工具的仿真結(jié)果可以在19GHz之內(nèi)PASS,但是測試數(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的仿真和測試數(shù)據(jù)吻合的很好,仿真模型也沒有隨著制程偏移有很大的變化。為了減少因為制程偏移而引起的通道衰減,必須在前期仔細(xì)的設(shè)計PCB。圖2中對于新的PCB的測試結(jié)果有了很大的改善,這是因為應(yīng)用了更好的PCB板材和PCB設(shè)計規(guī)范。本文后面的部分將來說明如何設(shè)計新的PCB以及如何應(yīng)用新的去嵌工具和方法來驗證結(jié)果。

PCB材料選擇

在25+ Gbps通道設(shè)計中,PCB材料是一個非常重要的因素,它決定了整個通道的信號衰減和測試數(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)以及對比其不同。

玻璃纖維編織效應(yīng)對信號對之間偏移的影響

1080編織的纖維束緊緊纏繞,產(chǎn)生出比較大的環(huán)氧樹脂束和玻璃編織。在圖3所示的例子中,一對差分帶狀線中一根線在環(huán)氧樹脂上面,另一根線在玻璃纖維上面。一般來說,環(huán)氧樹脂的介電常數(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不一樣,這將造成差分線之間產(chǎn)生偏移。這種偏移會很大程度的影響通道的插入損耗和串?dāng)_。

對于1078來說,玻璃纖維束伸展開來,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匹配,也可以使差分對之間的偏移最小化。

從時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上升時間為50ps)有很大不同。阻抗高的傳輸線也會有更快的信號傳輸。從測試結(jié)果來看,兩根單端線到達(dá)接口過孔處的時間不一樣,引起差分對之間的偏移。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)過孔的時間也相似。

線間偏移會導(dǎo)致差分對性能衰減。圖5展示了一組差分對之間的偏移為~30ps時,差模插入損耗和遠(yuǎn)端串?dāng)_的惡化情況?？梢钥闯?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PCB的過程中深入了解材料特性和制造知識非常重要。

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的衰減?，F(xiàn)在市場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格。如果信號衰減不能在PCB設(shè)計階段精確的預(yù)測,通道實際的眼高和眼寬可能和仿真結(jié)果會有不同。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)測整個通道的全部損耗,必須要精確的計算導(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度,介質(zhì)層厚度和走線尺寸,工具就會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。

為了測試這個計算器的精確度,只測試了基于新舊兩種測試夾具上面兩對6英寸的帶狀線,表1給出了兩種測試夾具的結(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計算器計算而得,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都會用這兩種材料。另外,PCB玻璃纖維編織的種類也會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,它可以移除測試夾具的影響(SMA接口和引線)和提取DUT的S參數(shù)。這個工具的主要功能如下:

ISD需要2x長度通過測試測試板,但是不需要和DUT板有相同的阻抗,這是因為ISD僅僅使用測試板做為頻域和時域優(yōu)化的參考,不是用來直接去嵌。

ISD僅需要2個參數(shù):一個2x參考板的測試文件和一個從SMA到SMA DUT板的測試文件。用戶只要輸入這兩個文件,ISD會自動去嵌SMA接口和連接引線的影響。ISD會輸出三個S參數(shù),左邊去嵌文件,右邊去嵌文件以及DUT本身。

圖8展示了一個例子,ISD之后的DUT阻抗是因果的,但是經(jīng)過傳統(tǒng)的TRL校準(zhǔn)以后的阻抗確實非因果的。傳統(tǒng)的方法會引起非因果問題,主要是因為校準(zhǔn)和實際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),需要只對帶狀線測試,而這種測試允許存在由SMA接頭和過孔帶來的阻抗不連續(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。這個例子中,為了提取一對6英寸的帶狀線,在相同的PCB層上構(gòu)建了一對6英寸的線和一對12英寸的線,其中6英寸的線主要是用來去嵌的。如圖9所示,ISD會從每一個SMA接口開始去嵌,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過孔和3英寸的帶狀線。

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

驗證PCB結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多年的發(fā)展,PCB的制造工藝已經(jīng)非常精確,但是過孔和傳輸線的結(jié)構(gòu)還是會有變化。為了保證仿真模型和實際結(jié)構(gòu)一致,必須進行驗證。

過孔的橫截面

新的測試夾具生產(chǎn)以后,提取了一對差分線過孔的橫截面(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)過了測試并且發(fā)現(xiàn)和仿真的數(shù)據(jù)有一點不同。

滲鍍

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

因為生產(chǎn)新的測試夾具是為了25+ Gbps的數(shù)據(jù)速率,所以滲鍍對信號完整性的影響需要考慮。去嵌的測試數(shù)據(jù)包含了過孔和一條很短的線。創(chuàng)建了三種不同的仿真模型來觀察滲鍍的影響。最基本的情況是10mil的過孔,沒有滲鍍,第二個模型用100微米的同心圓使得有20微米在孔壁突出,來表示實際結(jié)構(gòu)。最后一個模型是10.6 mils直徑的平滑過孔,想要來觀察沒有同心圓的滲鍍影響。表格3比較了用HFSS來仿真這些模型所用的內(nèi)存和CPU時間。

圖12顯示了Ring model,10.6 mil模型和測試數(shù)據(jù)之間有很好的相關(guān)性?？梢悦黠@的看出來,為了精確和高效的仿真過孔,過孔的直徑可以比實際情況大一點來表示滲鍍的影響。

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

通道性能

對于25+ Gbps的通道,插入損耗和串?dāng)_的比值(ICR)是一個非常重要的測試項目。仿真和測試的ICR數(shù)據(jù)不僅需要在整個通道上一致,而且需要在連接器+過孔的數(shù)據(jù)上一致。很好的一致性說明整個仿真,設(shè)計以及參數(shù)提取方法在按照期望的方式進行。

整個通道的一致性

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

圖14比較了對于整個通道測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+過孔模型級聯(lián)而來。從圖14可以清楚的看到由ISD提取的PCB阻抗有很大的變動性。測試和仿真僅有的區(qū)別是在IT5連接器+Via區(qū)域。

圖15說明測試和仿真在各個參數(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也說明了仿真和測試在ICR參數(shù)上也有很好的一致性,它再次確認(rèn)了整個系統(tǒng)對于25+ Gbps信號的性能。

連接器和過孔的參數(shù)描述

連接器和過孔通常是系統(tǒng)通道中最大的阻抗不連續(xù)點和串?dāng)_源。為了理解通道的性能瓶頸,就需要理解連接器和過孔在實際的通道中的性能。本文說明了在PCB設(shè)計中影響通道性能的主要因素,并且通過一個很大的演示板來描述連接器和過孔的參數(shù)。一塊比較大的演示板很容易通過實際操作來說明器件的性能。而通過演示板來提取DUT的參數(shù)可以幫忙我們確認(rèn)導(dǎo)致仿真和測試不一致的原因。

圖18展示了整個通道以及去嵌之后連接器和過孔的阻抗波形。因為有更多的高頻信號保留,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)在仿真和測試之間有很好的一致性。

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

圖20又一次展示了仿真和測試在ICR項目上的一致性。注意ICR在整個通道(圖16)和只有連接器+過孔(圖20)的相似性,可以理解這個例子中大部分串?dāng)_來自連接器和過孔,而ICR的變化很小。

結(jié)論

這篇文章討論了下面幾個主題:

?玻璃纖維以及其對信號偏移的影響

?信號偏移對插入損耗和串?dāng)_的影響

?滲鍍以及其對阻抗的影響

?用ISD提取DUT的參數(shù)

?提取帶狀線參數(shù)并計算隨頻率變化的DK值

?為了整個通道一致性,提取SMA和走線參數(shù)

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

中文文檔下載鏈接:

http://www.hwthinktank.com/Uploadfile/file/20150504/描述25+%20Gbps%20連接器特性的新方法_高速總線_20150504.pdf

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http://www.hwthinktank.com/Uploadfile/file/20150504/New%20Methodology%20For%2025_Gbps_HS_20150504.pdf