Amp Inc從傳統(tǒng)和替代介電材料制造了一套印刷線路板

網(wǎng)絡(luò)和電信中的數(shù)字系統(tǒng)速度正在不斷提高，這些速度增加的速度也在加速。在很大程度上，這種趨勢正在發(fā)生，因?yàn)閺牟⑿锌偩€（時(shí)鐘頻率低于100 MHz）到以每秒多吉比特（gigabits）運(yùn)行的串行信號(hào)路徑的運(yùn)動(dòng)。目前，一些系統(tǒng)的運(yùn)行速度為1.2 Gbps，一些公司正在尋求將速度提高到10 Gbps。

在這些速度下，互連結(jié)構(gòu)（如印刷線路板和連接器）會(huì)對數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響完整性。為了以數(shù)千兆位的速度成功傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員必須模擬他們的系統(tǒng)，并且通常必須使用非正統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)。這些方法不僅可以增加數(shù)字系統(tǒng)生產(chǎn)成本，還可以增加設(shè)計(jì)成本。

為了理解如何實(shí)現(xiàn)多千兆位信號(hào)速度，Amp Inc從傳統(tǒng)和替代介電材料制造了一套印刷線路板。工程師使用這些電路板收集有關(guān)高速信號(hào)特性的大量數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，工程師能夠預(yù)測使用傳統(tǒng)印刷電路板的系統(tǒng)可以達(dá)到的最高速度。

測試板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)每個(gè)測試板允許確定核心印刷線路板和帶有連接器的典型信號(hào)路徑的特性。捕獲基本的印刷線路板特性需要在帶狀線和微帶幾何形狀中構(gòu)造直的50和75W傳輸線。這些線包括6到18英寸長的單端和差分類型。測試板還包括5至19密耳寬的跡線。改變印刷線路板疊層使得多個(gè)板能夠保持恒定的阻抗和走線寬度。包括走線長度，寬度和阻抗的排列使得能夠全面表征許多傳輸結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)。

為了提供連接器如何影響信號(hào)行為的信息，每個(gè)測試板都包含一個(gè)通過Amp HS3連接器互連子卡的部分。 。為了在典型系統(tǒng)中提供一系列有關(guān)信號(hào)性能的數(shù)據(jù)，這些電路板部分還包括走線寬度，長度和阻抗的排列。

電介質(zhì)材料

在設(shè)計(jì)電路板后，Amp使用不同的介電材料制作了幾套電路板。所選材料代表了一系列制造商和電氣特性。使用不同的介電材料，設(shè)計(jì)人員可以量化除傳統(tǒng)FR4之外的材料如何影響高速信號(hào)的行為。經(jīng)過調(diào)查，設(shè)計(jì)人員選擇了玻璃 - 環(huán)氧樹脂，聚苯醚（PPO），陶瓷和玻璃纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯（PTFE）材料。

第一套板材采用Nelco 4000- 6，高性能型FR4，屬于編織玻璃 - 環(huán)氧樹脂材料族。第二組使用了Geok ML200，一種PPO型材料。第三組使用Rogers 4350陶瓷材料。最后一組板使用了Arlon CLTE，一種玻璃纖維增強(qiáng)PTFE材料。表1顯示了制造商為這些材料列出的電氣特性。

表1包括“相對成本”列。這些數(shù)據(jù)代表了您期望為替代電介質(zhì)材料與FR4以及由這些材料制成的電路板所支付的近似價(jià)格。這些數(shù)字是Amp為10×20英寸支付的相對價(jià)格。測試背板有12個(gè)信號(hào)層。 Tyco Printed Circuits（Stafford，CT，1-860-684-5881）構(gòu)建了所有電路板。

時(shí)間與頻率數(shù)據(jù)

當(dāng)設(shè)計(jì)人員完成測試板時(shí)，最初的方法是測量時(shí)域中的系統(tǒng)輸出眼圖。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和信號(hào)完整性工程師使用時(shí)域信號(hào)。眼圖快速指示信號(hào)行為。

然而，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)域眼圖測試無法提供所有所需信息。首先，測試設(shè)備的運(yùn)行速度只能達(dá)到3 Gbps，這太低了，無法滿足項(xiàng)目的目標(biāo)。其次，當(dāng)您使用頻率而不是時(shí)域數(shù)據(jù)時(shí)，提取材料和傳輸線參數(shù)會(huì)更容易。

為了解決這兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員更多地依賴于來自測試板的頻率數(shù)據(jù)。來自網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)使頻域測量高達(dá)6 GHz，可以對應(yīng)高達(dá)10 Gbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)速率，具體取決于時(shí)域信號(hào)的上升時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)分析儀測量可以計(jì)算關(guān)鍵的介電材料參數(shù)，例如介電常數(shù)和損耗角正切。傅里葉變換算法可以輕松地將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更好理解的時(shí)域數(shù)據(jù)。通過這種方法，工程師可以輕松地分離或“去嵌入”測試結(jié)構(gòu)的影響。

去嵌入測試點(diǎn)

各種測試板上50W帶狀線跡線的初始頻域測量結(jié)果表明，所有測量結(jié)果均明顯錯(cuò)誤（圖1）。此錯(cuò)誤的來源是測試結(jié)構(gòu)每端的測試點(diǎn)。測試點(diǎn)存在顯著的阻抗失配，這會(huì)降低頻域測量結(jié)果。

為了消除測試點(diǎn)對測量數(shù)據(jù)的影響，工程師使用了直通反射線（TRL）嵌入。該技術(shù)表征并從整體測量中去除測試點(diǎn)引入的可重復(fù)測量誤差。圖2顯示了TRL去嵌入對測量數(shù)據(jù)的影響。黑線顯示測量的S 21 幅度，藍(lán)線顯示去嵌入的S 21 幅度。正如所料，S 21 向上移動(dòng)，因?yàn)樵谌コ瓷浜蟾嗟哪芰客ㄟ^結(jié)構(gòu)。請注意，S 11 現(xiàn)在在所有頻率都為零，因?yàn)槠ヅ涞?0W系統(tǒng)中沒有反射。

去嵌入頻率數(shù)據(jù)對于每種材料中的板跡，然后允許提取基本材料參數(shù)。您可以從S 21 的相速度數(shù)學(xué)推導(dǎo)材料的介電常數(shù)，并從S 材料的損耗角正切21 的幅度。圖3顯示了每種電路板材料的測量的去嵌入介電常數(shù)。圖4顯示了相應(yīng)的損耗角正切。

注意每個(gè)基本材料參數(shù)如何隨頻率變化。您可以輕易忽略這種頻率依賴性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料制造商只提供一對假設(shè)恒定的介電常數(shù)值和材料的損耗角正切。

圖3和圖4中的值略高于那些材料制造商提供。預(yù)測值和測量值之間的這種差異可能是由于在電路板制造期間在電介質(zhì)材料中發(fā)生的變化。圖3和圖4中的數(shù)據(jù)代表了每種介電材料的最基本特性。了解材料的介電常數(shù)和損耗角正切可以精確建模有損傳輸線結(jié)構(gòu)。

時(shí)域變換

因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在檢查時(shí)域眼圖時(shí)感覺很舒服評(píng)估互連結(jié)構(gòu)的性能，本文將轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為時(shí)域眼圖。從測試板組的眼圖數(shù)據(jù)中，您可以得出有關(guān)傳輸線和互連結(jié)構(gòu)的速度限制的結(jié)論。

圖5顯示了將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域的技術(shù)眼睛圖案。該過程涉及幾個(gè)步驟。輸入位模式轉(zhuǎn)換到頻域，然后乘以電路的頻率響應(yīng)。然后將該乘法的乘積（逆）變換回時(shí)域。結(jié)果是輸出位模式，如果輸入位模式已通過互連，您將看到輸出位模式。覆蓋此位模式的各個(gè)位會(huì)產(chǎn)生輸出眼圖。

將測量的3-Gbps眼圖與經(jīng)過轉(zhuǎn)換的3-Gbps眼圖進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法（圖6和圖7）。圖6顯示了直接測量的18英寸眼圖。 FR4中的路徑。圖7顯示了通過將頻域測量轉(zhuǎn)換為時(shí)域而為相同路徑創(chuàng)建的眼圖。幾乎精確的相關(guān)性提供了變換技術(shù)的可信度。

帶狀線性能

去嵌入和變換技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)果是所有介質(zhì)材料中的50W帶狀線跡線的比特率一樣高為9.6 Gbps。該數(shù)據(jù)涵蓋5至19密耳寬，6至18英寸長的跡線。數(shù)據(jù)顯示，對于給定的跡線長度，您可以從Rogers 4350中更窄的跡線獲得與傳統(tǒng)FR4中更寬的跡線相同的信號(hào)性能。相反，使用固定的跡線寬度，您可以在Arlon CLTE中實(shí)現(xiàn)相同的信號(hào)保真度，使用的跡線是FR4中的兩倍。

通常，測試數(shù)據(jù)顯示Rogers 4350和Arlon CLTE提供了顯著的電氣優(yōu)于FR4和Getek的優(yōu)勢。圖8顯示了通過50W，12密耳，18英寸的60-psec，9.6-Gbps，K28.5信號(hào)的輸出眼圖性能。每種材料中的帶狀線跡線。 （K28.5是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)位模式-1100000101-用于空閑模式。）Rogers 4350和Arlon CLTE的最大眼圖開口分別為426和520 mV，而FR4和Getek的開口僅為238和268 mV，分別。在這種高數(shù)據(jù)速率下，Rogers 4350和Arlon CLTE材料的開眼率幾乎是FR4的兩倍。替代介電材料的優(yōu)點(diǎn)很明顯。更重要的是，圖8顯示印刷線路板材料可以在合理距離內(nèi)支持接近10 Gbps的數(shù)字信號(hào)傳輸速度。

系統(tǒng)性能

從系統(tǒng)角度來看，印刷線路板的集膚效應(yīng)和介電損耗只是整體信號(hào)衰減的兩個(gè)因素。要確定在系統(tǒng)中使用替代介電材料的優(yōu)勢，還必須包括連接器和鍍通孔的效果。這些效應(yīng)在確定輸出信號(hào)質(zhì)量以及是否可以通過系統(tǒng)發(fā)送10 Gbps方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

測試板的子卡到背板到子卡部分允許檢查信號(hào)性能。一個(gè)系統(tǒng)。這些連接類似于測試板的僅跟蹤部分，除了每個(gè)信號(hào)路徑包括兩個(gè)Amp HS3連接器。圖9顯示了其余示例的信號(hào)路徑的連接器位置和尺寸。測試點(diǎn)和其他不連續(xù)性影響仍保留在系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)中，因?yàn)檫@些影響顯示了真實(shí)系統(tǒng)組件如何降低信號(hào)性能。為了測量信號(hào)衰減，工程師逐步提高了數(shù)據(jù)速率。

在2.4 Gbps時(shí)，系統(tǒng)的輸出眼圖顯示所有四種介電材料都允許令人滿意的系統(tǒng)操作（圖9）。輸入比特幅度為1V時(shí)，F(xiàn)R4材料中最差情況下最大輸出眼圖開度為2.4 Gbps，為733 mV。 Getek，Rogers 4350和Arlon CLTE都顯示出超過790 mV的最大眼圖開度。

在4.8 Gbps時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生了微不足道的結(jié)果。在FR4和Getek中，最大輸出眼圖開度分別僅為218和227 mV。在Rogers 4350和Arlon CLTE中，眼孔分別為378和516 mV（圖10）。對眼圖的檢查表明，F(xiàn)R4和Getek的系統(tǒng)性能在4.8 Gbps時(shí)可能是不可接受的。相比之下，Rogers 4350和Arlon CLTE都提供了足夠的改進(jìn)，可提供可能接受的系統(tǒng)性能。

在9.6 Gbps時(shí)，系統(tǒng)使用任何介電材料都會(huì)產(chǎn)生不可接受的結(jié)果。所有輸出眼圖都被關(guān)閉（圖11）。當(dāng)您將圖11的9.6-Gbps系統(tǒng)結(jié)果與圖8的9.6-Gbps僅跟蹤結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)將互連結(jié)構(gòu)引入信號(hào)路徑會(huì)顯著降低信號(hào)質(zhì)量。雖然僅以9.6 Gbps的跟蹤性能是合理可接受的，但即使使用替代介電材料，系統(tǒng)在相同速度下的性能也是不可接受的。

在信號(hào)速度低于2.4 Gbps時(shí)，替代介電材料提供了FR4的優(yōu)勢有限。在大約4.8 Gbps的速度下，Getek的性能與良好的FR4相似，而Rogers 4350和Arlon CLTE的性能明顯更好。在接近9.6 Gbps的速度下，替代介電材料可提高跟蹤性能，但系統(tǒng)組件（如連接器和電鍍通孔）往往會(huì)主導(dǎo)信號(hào)損失。因此，在9.6 Gbps時(shí)，系統(tǒng)的行為方式不能反映替代介電材料的性能改進(jìn)，并且往往與FR4系統(tǒng)的行為無法區(qū)分。

結(jié)論

檢查穿過每種測試板材料的高速信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)Rogers 4350和Arlon CLTE在Getek和傳統(tǒng)FR4上都有顯著的性能提升。使用Rogers 4350和Arlon CLTE等材料，只要使用合理的走線寬度，就可以通過18英寸，50V線條印刷線路板結(jié)構(gòu)以接近10 Gbps的速率成功傳輸數(shù)字信號(hào)。