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測試與測量  

背板PTH壓接孔的建模與驗證

上網時間: 2004年10月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:背板  壓接孔  建模  驗證  連接器 

圖1:不同過孔<a href=接腳的諧振效應。">為了在背板訊息通道中實現更高的數據傳輸速率,系統設計師要認真挑選系統所用的主動和被動元件。主動元件是在晶片上實現的電路技術,可以減輕訊息通道上的一些有害效應。

為了使更高數據速率成為可能,被動元件供應商、封裝、PCB和連接器供應商正努力提供更低損耗、更好阻抗匹配性能和更低串擾的元件。通常積體電路晶片是組裝在封裝內的,因此自然會使晶片和封裝供應商緊密合作因而盡可能提高封裝元件的吞吐量。PCB供應商則透過沈孔(counter-boring)技術減少PTH過孔接腳(via stubs)的長度,採用更低損耗的電介質材料來減少PCB走線損耗,並採用埋孔技術消除表貼連接器用的過孔接腳。連接器供應商在設計背板連接器時除了需要考慮機械強韌性、熱性能和可靠性外,還必須考慮接腳密度、板卡間距、易佈線性、訊號完整性等其它眾多因素。

表面或壓接(press-fit)安裝的背板連接器的電氣性能比要求較大電鍍穿孔(PTH)的傳統壓接連接器強,但它們的機械強度和可靠性較低。此外,這些連接器無法現場修理,由於需要克服較高的熱能進行表面安裝連接器的回流焊,而可能無法達到背板的平整要求。圖2:透過最佳化各自的傳輸線參數可以對導線、穿孔和連接器進行建模。

基於這些理由,系統供應商至今仍寧願選用那些能夠滿足系統頻寬要求的壓接連接器。也正因為這個原因,連接器供應商仍在繼續為12.5Gbps數據速率的設備開發合適的壓接背板連接器。然而,即使連接器形狀對壓接、電鍍穿孔(PTH)的阻抗和串擾有嚴重的影響,但大多數連接器供應商的研發重點仍放在改進連接器本身的損耗、阻抗、串擾和偏移特性上。

某種程度上講,過孔阻抗和串擾也取決於電路板設計中訊號過孔所用的反焊盤橫截面、電介質材料及尺寸。許多業界人士都認為PTH過孔的阻抗和串擾是背板訊息通道性能的重要瓶頸。系統供應商被迫處理這個問題,因為是他們選擇了所用的特殊背板連接器類型,並設計了過孔的特殊背板橫截面和反焊盤尺寸。事實上,背板連接器的選擇需要著重考慮的是連接器出現在實際系統中時的背板過孔阻抗和串擾。

基於以上考慮,為各種連接器形狀製作精確的過孔模型是非常重要的,只有這樣才能給訊息通道模擬提供正確的過孔阻抗、串擾和損耗。一旦針對特定背板橫截面設立了不同元件的過孔S參數模型,並與相應的連接器S參數進行了整合,從訊號完整性角度看,就可以根據整合了所有系統元件精確模型的系統模擬結果作出連接器選用決定。圖3:HM-ZD/ERmet ZD和Metral 4000(M4K)連接器插頭設計過孔測試結構。

分散參數包含過孔的反射、傳送、近端串擾和遠端串擾,需要使用三維模擬工具CST Microwave Studio進行建模。具有不同反焊盤尺寸的各種連接器的背板過孔形狀被製作於300mil厚背板上,並擷取特徵。這些模型也被轉換成SPICE相容的W單元模型。製作的模型S參數與測得的S參數相較較。過孔模型可以被包含進訊息通道模擬內,並能在接收器輸入端產生視圖。

消除PTH過孔接腳

與厚背板上半部份中的走線層相連的過孔會有相當長的接腳。這些過孔接腳可以建模為一端開路的傳輸線。當接腳長度等於四分之一波長的奇數倍(或雙程時延等於半周期的倍數)時,一端開路的傳輸線輸入端在該頻率點就會發生問題。在這些頻率點,所有入射功能全部被反射回發送端(Tx),接收端(Rx)收到的功率為零。圖4:背板的堆疊。

上述這種現象同樣也會限制更小鑽孔孔徑、非壓接孔的性能。為了更好地描述這種效應,將一端開路、時延為50ps的無損傳輸線附屬於另外一條連接於發送到接收之間具有50歐姆特徵阻抗(Z0)的無損傳輸線中間。這時的接腳傳輸線具有二個Z0值,一個是30歐姆,代表具有較大鑽孔孔徑的壓接過孔,另外一個是50歐姆,代表具有較小鑽孔孔徑的非壓接過孔。在沒有接腳的情況下,Tx端訊號將全部發送到Rx,中間不會有任何損耗,也即傳輸函數對於所有頻率點都是一致的。

然而,傳輸線接腳存在時傳輸函數就不同了。如圖1所示,此時傳輸函數的諧振拐點將發生在5GHz處。數據速度為10Gbps的NRZ訊號的奈奎斯特頻率為5GHz。這就意味著即使鏈接傳輸線是無損的,其鏈接頻寬也遠小於10Gbps。這種情況下採用更好電介質材料或更小鑽孔孔徑都無濟於事。更小孔徑的過孔只能使諧振拐點變窄,因而獲得比壓接過孔更高的頻寬。後鑽孔是消除過孔接腳導致的性能瓶頸的有效方法之一。後鑽孔已被證明具有較高的可靠性和性價比,它能使接腳長度縮短至5mil。消除非壓接過孔接腳的另外一種技術是埋孔,它常見於表面安裝的連接器。壓接過孔的一個缺點是,最頂層的走線層過孔為了配合壓接連接器接腳及提供可靠連接,仍具有最長至80mil的接腳。但由80mil接腳引起的傳輸函數諧振拐點將發生在10GHz以外,因此不會對12.5Gbps數據速率的訊號產生實質性的影響。

利用TRL對連接器和過孔組合進行建模

1. 校準方法圖5:不同反焊盤尺寸、FR-4和N6K電介質條件下,HM-Zd/ERmet ZD連接器的TDR波形。

帶穿透反射線(TRL)校準結構的測試板設計用於抽取連接器和過孔組合的模型。TRL校準可以去除發射寄生效應,並消除連接至壓接PTH孔和連接器的一部份插頭側和插座側走線。測得的S參數用於最佳化多段W單元傳輸線,而該傳輸線是連接器每邊的剩餘走線和PTH過孔以及圖2中間的連接器的模型。這種模型對於連接器每邊的穿孔和接腳孔這樣的特殊組合是非常有效的。然而,這些建模技術的缺點是可能不適合過孔和接腳過孔的其它組合情況。

2. 過孔測試結構特徵

壓接過孔測試結構特別針對300mil厚度、FR4和Nelco 6000(N6K)電介材料背板上的大量背板連接器插頭形狀而設計。圖3所示是為HM-ZD/ERmet ZD和Metral 4000(M4K)連接器插頭設計過孔測試結構。這些過孔沒有任何走線連接。HM-ZD/ERmet ZD形狀的反焊盤尺寸是54.0圖6:由60歐姆差分過孔阻抗和零接腳長度引起的潛在性能損失。 nil×59.1mil、67.0mil×59.1mil和74.0mil×61.1mil,Metral 4000形狀的反焊盤尺寸是78.8 mil×48.0mil、110.0mil×48.0mil和150.0mil×78.8mil。背板的堆疊如圖4所示。為了模擬厚背板的堆疊,即使在20層背板中只有4層實際的訊號層,訊號層的有效數量和總層數也將分別是13和28。

使用可直接放置於過孔焊盤上的差分TDR和微波探頭可以擷取差分過孔對的特徵阻抗。過孔的另一邊可以是開路的。為不同反焊盤尺寸、FR-4和N6K電介質條件下的HM-Zd/ERmet ZD連接器形狀繪制的TDR圖如圖5所示。Y軸被轉換成了阻抗。

較大的反焊盤尺寸和較低的介電常數材料可以減少電容器負載,因而可以提高過孔阻抗,減少傳播延遲。可以在圖中看到這些結果。GbX連接器具有相似的阻抗特性,而M4K和VHDM-HSD連接器的阻抗特性要稍好些,因為它們的訊號與地接腳之間的間距較大些。從TDR波形可以看出,由於谷底非常窄,實際的過孔阻抗要比指示的還要低。

3. PTH過孔阻抗失配引起性能劣化

從測得的TDR波形看,最小的橢圓形反焊盤的PTH過孔阻抗最小為60歐姆。當然,如果使用小的圓形反焊盤,那些阻抗可以會更低。由60歐姆差分過孔阻抗和零接腳長度引起的潛在性能損失如圖6所示,而圖6只考慮了背板插頭孔引起的阻抗失配。無損訊息通道被假定為完美導體和電介材料的模擬。這些過孔在時間上相距1ns,大約相當於6英寸長的背板尺寸。

PTH過孔建模圖7:FR-4電介質材料小型反焊盤建模所製作的HM-Zd連接器形

透過輸入過孔尺寸、PCB橫截面和推薦的電源和地層反焊盤,建模工具(3D)就能夠有效地用於過孔建模。埠只存在於頂層和底層,在過孔旁邊沒有走線連接。建模的S參數適用於W單元傳輸線。當在訊息通道模擬中實現過孔模型時,過孔傳輸線能被分割成二個部份,一部份代表訊號通過部份,一部份代表接腳部份。

三維時域模擬器‘CST Microwave Studio’適用於過孔形狀的建模。圖7顯示了為FR-4電介質材料小型反焊盤建模所製作的HM-Zd連接器形狀。圖8顯示了採用大型反焊盤的相同連接器形狀所用的埠激勵。針對採用FR-4電介材料的大型反焊盤,一端開路的差分過孔對的建模單端反射和內部孔對耦合係數如圖9所示。S12諧振拐點頻率同步於6.2GHz,但在其它頻率點仍有一些區別。圖8:採用大型反焊盤的相同連接器形狀所用的埠激勵。

精確互連建模不僅需要精確的工具,而且需要正確的材料參數,如相對介電常數、介電損耗角正切值、高效的導體傳導率和過孔鑽孔直徑的實際實體尺寸、鑽孔角度、反焊盤形狀以及電介質高度。另外,電介材料本身可能是分散的(依賴於頻率的介電常數和損耗角正切值)。為了盡可能縮短模擬時間,模型省略了過孔或板邊等其它周邊結構,因此不能代表來自那些結構的耦合或反射。模型、波導或離散埠中使用的激勵類型也會影響到模擬的結果。測試誤差包含:校準誤差(在校準基底上必須使用多個標準)、發送點誤差(模型中的激勵點和測試點可能不一致)以及探測誤差(所用的探頭超出目標頻率範圍)。這樣使模型和測試相關性成為一個複雜和困難的過程。

本文結論圖9:一端開路的差分過孔對的建模單端反射和內部孔對耦合係數。

模型有助於預測損耗、反射、串擾和偏移等影響系統響應的電氣性能。系統供應商為了作出設計權衡、系統預算、餘量研究以及元件參數感應度分析,需要使用高效的系統主動和被動元件模型。選用PTH過孔的系統供應商都願意使用壓接連接器,但壓接連接器被認為是系統性能的重要瓶頸。PTH過孔可用測試結構特徵化,並使用三維模擬工具建模。本例建模和測試時考慮了2個連接器形狀和3個反焊盤尺寸。

需要設法盡量減少數據速率在5Gbps以上的壓接PTH過孔的影響。好消息是在典型的背板環境中不是所有鏈路都易受反射和串擾的侵害。透過仔細選擇背板的接腳輸出也可以減少易受侵害鏈路上的串擾。更低的介電常數材料、更大的反焊盤、更薄的背板以及使用寬耦合的走線(可減少背板中地層的總數量)都有助於減少壓接過孔的有害效應。如果我們能正確地使用這些技術,那麼壓接連接器就能成功地實現高達12.5Gbps的數據速率。

作者:Ravi Kollipara


Rambus公司





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