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如何为50Gbps及以上速率制作可预测的PCB互连

2021-11-26 高速射频百花潭 阅读:
对高带宽链路的需求不断增长,以满足由互联网驱动的高性能计算、数据中心、服务器和存储的需求,特别是多核内存和处理器架构。高带宽需要大幅增加接口数据速率和宽度。过去,数据速率的增长是通过提高输入/输出(I

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    对高带宽链路的需求不断增长,以满足由互联网驱动的高性能计算、数据中心、服务器和存储的需求,特别是多核内存和处理器架构。高带宽需要大幅增加接口数据速率和宽度。3beednc

    过去,数据速率的增长是通过提高输入/输出 (I/O) 电路的性能以及使用更复杂的均衡、复杂的编码和调制以及其他信号处理技术来维持的。随后,电子和 I/O 功耗随着接口速度的增加而显着增加。因此,链路数据速率的提高不仅仅来自电路设计和性能改进。3beednc

电子元件所基于的无源通道印刷电路板(PCB)对支持的速度施加了限制。在当今的背板中,铜质背板的最大容量决定了系统的性能。从高端系统开始,从铜背板到光电背板的转变已经有一段时间了。尽管光互连和电气互连在元件成本和可制造性方面的差距正在缩小,但目前电气互连仍然是背板链路的成本和能效解决方案。为了改善和扩展基于铜的互连的覆盖范围,已经提出了一些改进,使用低损耗介电,光滑的铜表面,改进的连接器和封装对高速通道进行改进。3beednc

基于铜的互连系统利用先进的连接器、封装和具有低损耗层压板的电路板的可行性不再是25 Gbps数据速率的疑问。为了实现更高的数据速率链路,对于 100 Gb/s 以太网路由器和交换机以及其他高端系统,正在使用基于铜缆的互连和低损耗板对数据速率超过 25 Gbps 的背板串行链路进行标准化。有人建议下一代电气信号标准以超过50 Gbps的多个数据速率在0.5 m长的低损耗板和1 m长的电缆上运行。3beednc

支持超过 50 Gbps 的数据速率的互连设计对于支持 Terabit 背板系统是必要的。为了预测和优化以50 Gbps及以上速度运行的高速链路的性能,必须对互连系统进行准确的建模和表征。互连的模型必须是宽带的,并且包括高频效应,这些效应在10至20 Gbps范围内的数据速率下并不重要。为了获得更高的数据速率,对PCB和封装走线中的信号传播进行非常仔细的建模,需要在极宽的频带上正确识别导体和介电介质频率相关属性。此外,过渡结构的3D建模和表征对于理解和优化波传播以及最大限度地减少各种过渡结构之间的不匹配至关重要,例如封装和PCB之间界面处的过孔和BGA。3beednc

低损耗层压板,如松下的Megtron 6,Isola Group的FR408HR和Park Electrochemical Corp.的Nelco 4000-13EPSI,预计将成为设计电路板以更高的数据速率运行的关键推动因素。这些层压板提供更稳定的介电特性,并且在高频下损耗要小得多。为了研究低损耗层压板的影响并了解表面粗糙度、介电性能、玻璃编织效果的影响,我们比较了Megtron 6的超超薄型(HVLP)表面处理和反向处理箔(RTF)表面处理的几块板,Nelco 4000-13 EPSI与RTF铜箔和标准玻璃编织,Isola FR408HR具有RTF铜箔和标准玻璃编织。表I显示了本文研究的这些低通层压板的典型电气性能以及用于比较的典型FR-4板的典型电气性能。图1显示了一些设计用于表征走线和电介质的电路板的照片。3beednc

表I:所研究的层压板的电气性能(介电常数,损耗切线或耗散因数以及表面粗糙度的幅度。3beednc

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图 1:一些设计用于材料表征的电路板,显示了探头焊盘和 MMPX 连接器的位置。

设计了几种结构,包括带有探针垫和连接器的各种长度的微带和带状线。董事会中还包括其他结构,以改进和尽量减少反嵌程序。图2所示的两组6英寸和12英寸长带状线差分网的焊盘到焊盘链接用于表征低损耗材料和迹线。3beednc

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图 2:在第 4 层和发射结构上设计的8层板的横截面,具有6 英寸和 12 英寸的带状线。

表II总结了电路板的堆叠,玻璃类型,材料系列,1 GHz时的介电常数以及层的厚度。材料属性和尺寸由制造商作为典型值提供,需要针对为这些实验制造的特定电路板进行验证。3beednc

表II:Megtron 6,Nelco N4000-13EPSI和FR408HR板的层堆叠,玻璃类型,1 GHz时的介电常数和厚度。

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首先,对制造的电路板进行横截面,以准确验证传输线的所有尺寸。图3显示了具有Isola的FR408HR,Nelco N4000-13 EPSI,带有RTF和HVLP表面处理的Megtron 6的电路板的横截面。导体厚度、宽度、迹线间距以及顶层和底层高度的尺寸均以微米为单位标记3beednc

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图3:显示铜粗糙度的迹线横截面的微照片,(a)FR408H,(b)Nelco N4000-13EPSI,(c)Megtron 6 RTF,(d)Megtron 6 HVLP板3beednc

使用4端口67 GHz矢量网络分析仪(VNA)进行散射参数测量,使用具有200 um间距GSSG配置和高频咬接连接器的高频探头。测量了两组具有6英寸和12英寸长迹线的差分网,用于FR408HR,Nelco N4000-13EPSI,带RTF的Megtron 6和HVLP表面。图4显示了四块电路板的12英寸走线的测量差分和共模插入损耗。还绘制了使用FR4板的类似结构的模拟插入损耗进行比较。这些图显示了与表I中给出的这些层压板的电气性能一致的衰减。与RTF表面处理为25 GHz的Megtron 6相比,具有HVLP表面的Megtron 6的测量差分插入损耗提高了约2 dB。具有HVLP表面处理的Megtron 6也分别比Nelco N4000-13 EPSI和FR408HR提高了约4 dB和6 dB。与FR-4板中的类似迹线相比,采用HVLP层压板的Megtron 6中的12英寸迹线显示出约20 dB的损耗。

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图 4:显示了四块电路板的测量(a)差分和(b)共模插入损耗的大小:Megtron 6 HVLP(粉红色)、Megtron 6 RTF(绿色)、Nelco N4000-13 EPSI(红色)和 FR408HR(蓝色)。典型FR-4板的插入损耗也从仿真中显示(黑色虚线)。   3beednc

12 英寸的差分群延迟是根据测量的四端口 S 参数计算得出的。图5(a)中,四块电路板的每英寸延迟绘制为频率函数。FR-4板的模拟群延迟也包含在图中。Nelco N4000-13EPSI显示,从表I中给出的该层压板的介电常数值来看,延迟最小。典型的FR-4显示出最长的延迟,这是从其较高的介电常数预测的。3beednc

还使用测量的S参数执行时域仿真,以计算振幅为1 V,宽度为20 ps(对应于50 Gbps的数据速率)和8 ps的上升和下降时间激励脉冲的单位响应。图5(b)显示,Megtron 6板的单位响应经历了最小的衰减,正如通过瞥见图4(a)所示的差分插入损耗所预测的那样。另一方面,与Megtron 6板相比,FR-4的单比特响应遭受了更大的衰减和边缘衰减,紧随其后的是FR408HR。虽然Nelco N4000-13 EPSI的单比特响应遭受了与FR408HR相似的衰减和色散,但由于其低介电常数,它经历了最小的延迟。

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5a)每英寸延迟和(b12英寸长迹线的单比特响应(50 Gbps)显示了四块板:Megtron 6 HVLP(粉红色),Megtron 6 RTF(绿色),Nelco N4000-13 EPSI(红色)和FR408HR(蓝色)和FR-4(黑色)。FR4板的群延迟和脉冲响应来自仿真。

   接下来,我们使用测量的两条长度为6英寸和12英寸的带状线的测量S参数,使用广义模态S参数来识别宽带电介质和导体粗糙度模型。下一节将详细介绍该方法。能够正确分离宽截面和低损耗电介质的导体和介电损耗,这对于构建与电路板设计中使用的宽范围横截面的测量数据一致的模型至关重要。然后,精确的传输线和转换模型用于对以50 Gbps运行的高速互连进行分析和优化。3beednc

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