PCIe Gen5 Card金手指仿真與設(shè)計(jì)(上)

金手指是沿著印刷電路板 （PCB） 的連接邊緣看到的鍍金柱。金手指的目的是將輔助PCB連接到計(jì)算機(jī)的主板上。PCB金手指還用于通過(guò)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信的各種其他設(shè)備，例如消費(fèi)者智能手機(jī)和智能手表。金用于PCB的連接點(diǎn)，因?yàn)楹辖鹁哂袃?yōu)異的導(dǎo)電性。

有兩種類(lèi)型的金適用于PCB金手指電鍍工藝：

化學(xué)鍍鎳沉金（ENIG）：這種金比電鍍金更具成本效益，更容易焊接，但其柔軟，薄（通常為2-5u''）使ENIG不適合電路板插入和移除的磨蝕效果。

電鍍硬金：這種金是實(shí)心（硬）和厚（通常為 30u''），因此更適合持續(xù)使用 PCB 的磨蝕效果。

金手指電鍍過(guò)程涉及許多細(xì)致的步驟。這可確保從生產(chǎn)線上滾下來(lái)的每塊電路板都配備適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，以無(wú)誤地傳導(dǎo)信號(hào)。電鍍過(guò)程中涉及的標(biāo)準(zhǔn)還有助于確保每個(gè)電路板上的金手指與給定主板上的相應(yīng)插槽完美貼合.

為了確保所有這些金手指和插槽都完美貼合， 每個(gè)PCB必須通過(guò)一系列檢查和缺陷測(cè)試.如果電路板上的鍍金缺乏光滑度或不能充分粘附在表面上， 結(jié)果將不足以進(jìn)行商業(yè)發(fā)布。

為了使PCB金手指走到一起， 電鍍過(guò)程必須分步驟進(jìn)行，首先完成電路板的周?chē)?xì)節(jié).當(dāng)需要電鍍手指時(shí)，將鎳涂在銅上。然后，最后涂覆表面光潔度。一切就緒后，在放大鏡下檢查電路板并進(jìn)行附著力測(cè)試。

HOW ARE GOLD FINGERS USED?

金手指用作兩個(gè)相鄰PCB之間的連接觸點(diǎn)。除了導(dǎo)電性外，黃金的目的是保護(hù)連接邊緣在許多用途中免受磨損。由于硬金在其指定厚度下的強(qiáng)度，金手指使PCB可以在相應(yīng)的插槽中連接，斷開(kāi)和重新連接多達(dá)1,000次。

金手指的功能是多用途的。使用任何給定的計(jì)算機(jī)設(shè)置， 由于PCB金手指，我們看到許多與計(jì)算機(jī)本身連接的外圍設(shè)備。金手指的一些最廣泛使用的用途包括：

互連點(diǎn)：當(dāng)輔助PCB連接到主主板時(shí)， 它是通過(guò)幾個(gè)母插槽之一完成的， 例如PCI， ISA或AGP插槽。通過(guò)這些插槽，金手指在外圍設(shè)備或內(nèi)部卡與計(jì)算機(jī)本身之間傳導(dǎo)信號(hào)。

特殊適配器：金手指可以為個(gè)人計(jì)算機(jī)添加許多性能增強(qiáng)功能。通過(guò)垂直于主板的輔助 PCB，計(jì)算機(jī)可以提供增強(qiáng)的圖形和高保真聲音。由于這些卡很少是未連接和重新連接的，因此金手指通常比卡本身更耐用。

外部連接：已添加到計(jì)算機(jī)站的外圍設(shè)備用PCB金手指連接到主板。揚(yáng)聲器、低音炮、掃描儀、打印機(jī)和顯示器等設(shè)備都插入計(jì)算機(jī)后面的特定插槽中。這些插槽依次連接到連接到主板的 PCB。

GOLD FINGER SPECIFICATIONS YOU SHOULD KNOW

在PCB金手指電鍍過(guò)程中， 必須遵守某些標(biāo)準(zhǔn)才能使手指正常工作。PCB本身的設(shè)計(jì)還必須考慮適當(dāng)?shù)氖种搁L(zhǎng)度和對(duì)齊所需的區(qū)域。無(wú)論P(yáng)CB本身的用途或尺寸如何，以下規(guī)則始終適用于金手指的設(shè)計(jì)：

電鍍通孔不應(yīng)靠近金手指。

金手指不應(yīng)與阻焊層或絲網(wǎng)印刷有任何接觸，兩者都應(yīng)保持一定距離。

金手指必須始終朝向與PCB中間相反的方向（如果要斜面邊緣）

如果在PCB金手指電鍍過(guò)程中不遵循這些規(guī)則中的任何一個(gè)，PCB可能無(wú)法與父電路板通信?；蛘?，PCB 可能無(wú)法正確安裝到主板上的相應(yīng)插槽中。

將金用于PCB上的連接手指的原因是由于該合金的優(yōu)越強(qiáng)度和導(dǎo)電性。金的強(qiáng)度使手指可以插入和彈出數(shù)百次，而不會(huì)磨損連接觸點(diǎn)。如果沒(méi)有鍍金的保護(hù)，電路板在使用幾次后很容易被剝奪其連接功能。

為什么黃金勝過(guò)其他類(lèi)型的金屬?畢竟，黃金是最稀有和最昂貴的自然元素之一。用銅或鎳電鍍PCB的連接邊緣是否更具成本效益？然而，金，對(duì)于印刷電路板所需的功能是必需的。

隨著多氯聯(lián)苯發(fā)展成現(xiàn)代形式，由于幾個(gè)因素，金被確定為最合適的連接接觸金屬。金的主要優(yōu)點(diǎn)是合金的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。為了增加強(qiáng)度，印刷電路板中使用的金通常與鎳或鈷結(jié)合合金， 這使金在面對(duì)持續(xù)的 PCB 活動(dòng)時(shí)具有進(jìn)一步的耐磨性.對(duì)于電鍍工藝，鎳的厚度在 150 到 200 微英寸之間。

PCB金手指的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)由連接電子工業(yè)協(xié)會(huì)（IPC）于2002年制定。隨著IPC-4556的發(fā)布，這些標(biāo)準(zhǔn)于2012年進(jìn)行了修訂。2015年，隨著IPC A-600和IPC-6010的發(fā)布，這些標(biāo)準(zhǔn)再次進(jìn)行了修訂，這是目前PCB生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。IPC標(biāo)準(zhǔn)可總結(jié)如下：

化學(xué)成分： 為了沿PCB觸點(diǎn)邊緣獲得最大的剛度，鍍金應(yīng)由5%至10%的鈷組成。

厚度： 金手指的電鍍厚度應(yīng)始終在2至50微英寸的范圍內(nèi)。按尺寸劃分的標(biāo)準(zhǔn)厚度為 0.031 英寸、0.062 英寸、0.093 英寸和0.125 英寸。較低的厚度通常用于原型，而較高的厚度則用于定期插入，拔出和重新插入的連接邊緣。

視覺(jué)測(cè)試： 金手指應(yīng)通過(guò)用放大鏡進(jìn)行的視覺(jué)測(cè)試。邊緣應(yīng)具有光滑、干凈的表面，并且沒(méi)有多余的電鍍或鎳的外觀。

膠帶測(cè)試： 為了測(cè)試鍍金層與觸點(diǎn)的粘合性，ICP建議進(jìn)行測(cè)試，即沿觸點(diǎn)邊緣放置一條膠帶。取下膠帶后，檢查條帶是否有電鍍痕跡。如果膠帶上有任何明顯的鍍金，則鍍層與觸點(diǎn)一起缺乏足夠的粘合性。

PCB GOLD FINGER BEVELING

在電路板上，PCB金手指電鍍工藝用于阻焊層之后和表面光潔度之前。電鍍過(guò)程通常包括以下步驟：

鍍鎳：首先將三到六微米的鎳電鍍到手指的連接器邊緣。

鍍金：在鎳上鍍一到兩微米的硬金。黃金通常用鈷增強(qiáng)，以提高表面電阻。

倒角：連接器邊緣以指定的角度斜面，以便于插入相應(yīng)的插槽。倒角通常以 30 到 45 度的角度進(jìn)行。

在某些電路板上，某些金手指會(huì)比其他手指更長(zhǎng)或更短。例如， 電路板的一端可能有更長(zhǎng)的手指.這樣， PCB更容易插入插槽， 因?yàn)閹в休^長(zhǎng)手指的末端將更容易卡入到位。

電鍍過(guò)程有一定的限制。例如， 金手指和電路板的其他部分之間需要一定的距離.主要限制包括：

沿PCB邊緣的內(nèi)層必須不含銅，以防止在坡口階段暴露銅。

電鍍孔、SMD和焊盤(pán)不應(yīng)放置在金手指1.0毫米以內(nèi)。

電鍍墊的長(zhǎng)度不能超過(guò) 40 毫米。

金手指和輪廓之間應(yīng)存在 0.5 毫米的距離。

與印刷電路板上金手指周?chē)臉?biāo)準(zhǔn)間距要求的任何偏差都可能導(dǎo)致卡物理薄弱或功能失調(diào)。

HOW GOLD FINGERS

ARE CHANGING THE WORLD

當(dāng)今的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜，因?yàn)橹圃焐谈?jìng)相使其產(chǎn)品更快、更足智多謀。如果你建立一個(gè)大型計(jì)算機(jī)站并積累了少量移動(dòng)設(shè)備，你很可能會(huì)讓許多鍍金電路板同時(shí)相互作用。每次打印文章或掃描照片以上傳到社交媒體帳戶時(shí)，信號(hào)都會(huì)從外圍設(shè)備發(fā)送到主板卡，主板卡通過(guò) PCB 接收這些信號(hào)。

在很大程度上，多虧了金手指技術(shù)，已經(jīng)能夠發(fā)展到現(xiàn)在數(shù)百萬(wàn)人每天使用的現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備陣列。此外，金手指使各行各業(yè)變得比以往任何時(shí)候都更有生產(chǎn)力和能力。

A DETAILED GUIDE ON PCB GOLD FINGERS

英特爾在 PCIe 開(kāi)發(fā)主板中實(shí)施 PCIe CEM 5.0 規(guī)范版本 0.7 中的以下準(zhǔn)則。對(duì)于邊緣手指設(shè)計(jì)，請(qǐng)遵循 PCIe CEM 5.0 規(guī)范。

確保在包括引腳 A12/B12 及更遠(yuǎn)的高速區(qū)域中，內(nèi)層在邊緣手指下方研磨。內(nèi)層接地層必須從電路板的主布線區(qū)域延伸至邊緣手指區(qū)域的整個(gè)長(zhǎng)度。內(nèi)層接地層必須至少位于邊緣指銅下方 0.52 mm （20.5 mil）。此要求適用于附加卡的兩面，因此使用對(duì)稱的屏蔽平面對(duì)。

在包括引腳 A12/B12 及更遠(yuǎn)的高速區(qū)域中，沿邊緣手指底部將一排電鍍過(guò)孔連接到內(nèi)層接地平面。這些過(guò)孔被稱為指尖南通孔。過(guò)孔必須電鍍通孔 （PTH）。您可以在附加卡兩個(gè)表面上的接地墊之間共享它們。通孔焊盤(pán)的上邊界必須與 3.20 mm 尺寸對(duì)齊。將“I bar”中的接地過(guò)孔與表面金屬連接。

將服務(wù)于北邊指接地導(dǎo)體的附加卡接地通孔與相鄰邊指之間的間隙對(duì)齊，以減少對(duì)從非接地邊緣手指路由的信號(hào)的阻礙。北接地過(guò)孔的軸距離邊緣指銷(xiāo)場(chǎng)的邊界不得超過(guò) 0.38 mm （15 mil）。將邊緣手指連接到地面通孔，走線長(zhǎng)度與通孔焊盤(pán)直徑相匹配或超過(guò)通孔焊盤(pán)直徑，以最大程度地減少接地連接的電感。

實(shí)施橫向接地棒，以連接電路板兩側(cè)第一內(nèi)層 （N-1） 上的所有指尖南通孔（例如金屬 2）。接地棒必須與過(guò)孔的北邊緣對(duì)齊，距離為 3.20 mm。接地桿應(yīng)為 0.71 mm 寬，以確保與倒角區(qū)域有足夠的間隙。

確保未分配給 A12/B12 及更高區(qū)域接地的邊緣手指長(zhǎng) 3.00 毫米，寬 0.60 毫米（±0.038 毫米）（請(qǐng)參閱指示邊緣手指長(zhǎng)度的附加卡邊緣手指）。確保邊指的上部比附加卡的南邊緣高出 5.60 毫米（請(qǐng)參閱附加卡邊緣手指指示邊緣手指長(zhǎng)度）。允許在邊緣手指下端延伸 0.13 mm 的區(qū)域內(nèi)有少量殘留表面金屬。

確保從輔助信號(hào)頂部或未使用的邊指到端接電路中的隔直電容的走線長(zhǎng)度盡可能短。PCI CEM 5.0 未指定最大跟蹤長(zhǎng)度。為邊緣手指和隔直電容之間的走線保持42.5Ω走線阻抗。端接網(wǎng)絡(luò)的接地通孔必須位于電阻元件焊盤(pán)或通孔的 1.0 mm （39.4 mil） 范圍內(nèi)。

HOW TO SIMULATION PCIE GNE5 CARD

PCIe Card，一端是金手指，一端是連接器焊盤(pán)，于仿真而言，處理方式是差不多的。

這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何仿真，怎么仿真是精準(zhǔn)的，怎么仿真是高效的，怎么仿真是可以接受的？

比較簡(jiǎn)便的方式肯定是在SIwave或者PowerSI中直接跑，但是這樣就會(huì)存在準(zhǔn)確度的問(wèn)題。

準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)是什么？要說(shuō)A不準(zhǔn)，那肯定是要一個(gè)準(zhǔn)確的B作為對(duì)照。因此，我們先來(lái)看準(zhǔn)確的做法，得出這個(gè)參照物。

PCIe Card真實(shí)的工作環(huán)境是插在PCIe插槽里，金手指接觸的面是插槽中的彎針。因此，準(zhǔn)確的仿真肯定是要模擬真實(shí)的使用環(huán)境。那么，就需要在3D環(huán)境下建模。

細(xì)節(jié)處理如下，把彎針和焊錫的模型加上。

具體參數(shù)如何確定？很簡(jiǎn)單，彎針的尺寸及介質(zhì)的參數(shù)可以去Q2D切一下。

掃描介電常數(shù)，得到85ohm阻抗的值。

設(shè)置好后，仿真結(jié)果如下：

TDR Port延伸可以看到模型阻抗為85ohm。

標(biāo)準(zhǔn)答案給了，但是要在3D環(huán)境里建模還是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較麻煩的，有沒(méi)有比較簡(jiǎn)便的方法，可以讓精度和效率在一個(gè)可接受的范圍呢？

答案肯定是有的。

未完待續(xù)……