高速板材應用案例

來源:一博自媒體 時間:2020-1-6 類別:微信自媒體

作者:周偉  一博科技高速先生團隊隊員

上期的文章講了高速板材的使用注意事項,同時也問了大家是如何選擇適合自己產品板材的問題,其實這個問題需要具體問題具體分析,本期通過一個案例來分享其中的一種板材選擇的情況(本案例在高速先生出版的《高速電路設計仿真實戰—信號與電源完整性》一書的第12章中有,很多網友在問案例可以在哪里下載,本期我們就以文章的形式給大家分享出來)。
某單板為芯片測試驗證板,其中需要滿足阻抗及損耗的一些要求,同時交期也很緊張,另外客戶還限制了線寬要求,部分要求如下:

  • 高速信號部分有12.5Gbps Interlaken信號、QPI、PCIe3.0信號(后面有兼容PCIe4.0的要求),另外還有10.3125Gbps到光口信號; 
  • 高速信號損耗要求:-0.8dB/[email protected],-1.6dB/[email protected]
  • 差分信號阻抗控制有85ohm、90ohm和100ohm,單端按照50ohm控制,阻抗及線寬控制表如下表1所示;
  • 4通道DDR4信號;
  • 小電壓大電流的電源較多,其中0.95V電源最大電流80A; 
  • 24層板且板厚小于2.8mm; 
 
表1、阻抗及線寬要求

在仿真介入前,原始設計疊層使用的是普通FR4材料,如S1000-2,IT180A等,疊層如下圖1左邊所示(最終確定使用22層)。
圖1原始層疊及損耗評估

在上圖疊層的基礎上我們可以看到4GHz時的單位長度損耗已經不能滿足要求了,同時在8GHz時的損耗裕量也較小,所以至少需要選擇中損耗的板材才能滿足損耗要求。如下表2和表3為某中損耗板材的材料參數。

Thin core Standard Construction List

表2、 core參數

Prepreg Standard Construction List
表3、 PP參數

按照上面表2和表3的材料參數,在線寬固定的情況下,計算的阻抗如下所示。

5mil線寬的50歐姆單端阻抗計算如下。

5mil線寬需要調整到3.5mil才能滿足50ohm的目標阻抗,調整會比較大,加工可靠性差。

4.2/10mil的100歐姆差分阻抗計算如下。

4.2/10mil的差分線需要調整到3.5/11.5mil才能控制100ohm的目標阻抗,調整也會比較大,加工一致性差。

4.5/8mil的差分90歐姆阻抗計算如下。
離目標阻抗90ohm有一定的偏差,還是需要調整才能滿足要求。

上面的計算總體來看需要滿足阻抗要求,必須把線變細,這樣調整會較大,采用如下某low Dk的材料,材料參數如下表4所示。

Thin core Standard Construction List

PrepregStandard Construction List
表4、 某low Dk材料參數

采用該low Dk的材料后,在線寬線間距不變的情況下,計算的阻抗如下所示。

5mil的線寬,只要微調就能滿足50ohm的單端目標阻抗標準。

4.2/10mil的100歐姆差分線阻抗可以很好的滿足100ohm的標準,不需要額外調整。

4.5/8mil的差分線只需要微調阻抗就能滿足90ohm的標準。

以上計算可知在要求的線寬條件下,使用low Dk的板材在加工時基本不需要過多的額外調整就可以滿足阻抗要求。

根據新的材料,調整疊層如下圖2右所示。

圖2最終調整疊層
上面疊層在之前的基礎上指定了玻纖類型,同時由于厚度的限制,該疊層使用了陰陽銅箔的芯板(使用陰陽銅箔的芯板時需要注意交期可控)。Low Dk材料的損耗曲線和原始FR4的損耗對比如下圖3和圖4所示。
圖3 QPI信號評估


圖4 PCIe3損耗評估

可知通過不同的板材選擇,主要是為了滿足阻抗、損耗及板厚等要求,不同的要求可選擇的材料也是不一樣的,此項目是在不計較成本,需要最快的交期的情況下的一個例子,在條件變化的情況下還有其他的選擇,所以本例只是作為一個參考。

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