一種有效建立連接準確傳輸線和過孔模型通道的方法

1前言

當高速通道數(shù)據(jù)傳輸速率達到百萬兆每秒時，就必須通過嚴格仿真通道中每個模塊來優(yōu)化通道的質(zhì)量，這些模塊包括鏈接器，傳輸線，過孔和封裝。它們都可能是造成阻抗不連續(xù)的來源，將會造成信號衰減，最后使通道質(zhì)量變差。為了達到最優(yōu)化的通道質(zhì)量，SI工程師需要一個快速的方式來仿真這些阻抗不連續(xù)的地方并建立一個可快速評估的通道。

這篇應用筆記闡述了一種有效的建立準確傳輸線與過孔模型的方法，最后通過仿真得到模型實現(xiàn)通道的級聯(lián)。

通道的質(zhì)量可以通過仿真得到的S參數(shù)和TDR 阻抗圖表結(jié)果來判定。參數(shù)化掃描傳輸線和過孔S參數(shù)可以實現(xiàn)快速的what-if分析，幫助設計者優(yōu)化通道屬性。

2無源通道結(jié)構(gòu)

一個典型的背板通道如圖1所示，其包括一個背板和通過鏈接器連接在一起的兩個子板。從發(fā)送端到接收端，阻抗不連續(xù)主要在封裝到板子，鏈接器到板子和傳輸線間的傳輸上。為了達到通道的設計要求，首先研究了不同的介質(zhì)材料FR4，F(xiàn)R408HR, Megtron 6, 和ParkpNelco N4000-13 EPSI的影響 ，通過分析其結(jié)果，幫助設計者評估通道的損耗大小并比較其通道設計余量。

圖1 高速設計中的典型通道模型

01

傳輸線和過孔模型

首先選擇典型的FR4層壓材料與低損耗材料FR408HR、Megtron 6、Nelco N4000-13 EPSI來研究不同的介質(zhì)材料的影響。它們的介電常數(shù)和損耗因數(shù)如表1，并包括了阻抗為100ohm的傳輸線尺寸【1】。傳輸線導體厚度，寬度，間距，頂層與底層的高度的尺度以um為單位。選擇如圖2芯禾科技的ChannelExpert中耦合帶狀線的TML模型作為傳輸線來研究其影響并假設線長為12inch。

表1 四種不同層壓材料屬性及傳輸線尺寸

圖2 芯禾 ChannelExpert中的耦合帶狀線TML模型

圖3為四種不同層壓材料的S參數(shù)與TDR ，為便于比較，加上了OIF CEI-25G-LR 規(guī)范面罩，這樣設計者在計劃階段便能判斷插損是否合乎規(guī)范。有最小損耗因數(shù)的Meg6插損值最小而有最大損耗因數(shù)的典型的FR4插損值最大，因此在這個設計選擇了有最小插損值的Meg6。

表2 四種材料

圖3 四種不同層壓材料的S參數(shù)與TDR

通道的阻抗不連續(xù)主要來自封裝到板子或者鏈接器到板子間傳輸?shù)倪^孔，因此需要優(yōu)化過孔使其滿足目標阻抗100ohm的要求。為了使阻抗在其范圍，常使用背鉆技術，如圖4所示。表3列出了不同背鉆深度的最小阻抗，我們可以清楚的看到其結(jié)果TDR阻抗變化。

表3 四種不同背鉆深度時的最小阻抗

圖4 四種不同深度背鉆的3D模型與TDR

02

通道分析

由傳輸線模型、過孔模型及從廠商獲取的鏈接器模型，我們可以在ChannelExpert快速建立通道鏈路。通過利用ChannelExpert中的參數(shù)化掃描計劃功能，設計者可以依據(jù)參數(shù)設計要求快速做what-if 分析。

圖5 芯禾ChannelExpert中的高速通道

1）變量：傳輸線長度

背板中TML模型的傳輸線長度從10inch,15inch,20inch,到25inch變化。為了規(guī)范檢查需要，在圖表上加了OIF CEI-25G-LR規(guī)范面罩。我們可以清楚的看到當傳輸線長度增加到25inch時，其結(jié)果不能滿足規(guī)范要求，如圖7所示。

圖6 芯禾ChannelExpert中TML設置

表4 掃描計劃中四種不同傳輸線長度

圖7 掃描背板TML模型不同傳輸線長度時的S參數(shù)與TDR

2）變量：過孔S參數(shù)

當取子板上傳輸線長度為5inch，背板傳輸線長度為12inch時，我們掃描背板過孔的S參數(shù)。其通道的S參數(shù)與TDR結(jié)果如圖9所示，為便于比較，加上了OIF CEI-25G-LR規(guī)范面罩。背鉆深度對通道質(zhì)量產(chǎn)生了明顯的影響。當背鉆深度為102.4mil時，整個通道的IL及ILD沒有達到規(guī)范要求。

圖8 芯禾ChannelExpert中掃描不同的S參數(shù)

表5 四種不同背鉆深度

圖9 掃描背板過孔S參數(shù)時的S參數(shù)和TDR

3總結(jié)

本篇應用筆記說明了一種有效建立連接準確傳輸線和過孔模型通道的方法，分析了級聯(lián)后的通道屬性。參數(shù)化掃描傳輸線及過孔模型使快速what-if分析能滿足通道要求。