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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計者評估通道的損耗大小并比較其通道設(shè)計余量。

圖1 高速設(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)，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(shè)計者可以依據(jù)參數(shù)設(shè)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(shè)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(yīng)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。