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[经验] 高速板材实际应用案例

2020-1-9 15:38:36  3615 PCB
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一博科技自媒体高速先生原创文 | 周伟

上期的文章讲了高速板材的使用注意事项,本期通过一个案例来分享其中的一种板材选择的情况。


某单板为芯片测试验证板,其中需要满足阻抗及损耗的一些要求,同时交期也很紧张,另外客户还限制了线宽要求,部分要求如下:


  • 高速信号部分有12.5Gbps Interlaken信号、QPI、PCIe3.0信号(后面有兼容PCIe4.0的要求),另外还有10.3125Gbps到光口信号;

  • 高速信号损耗要求:
    -0.8dB/inch@4GHz,-1.6dB/inch@8GHz
  • 差分信号阻抗控制有85ohm、90ohm和100ohm,单端按照50ohm控制,阻抗及线宽控制表如下表1所示;
  • 4通道ddr4信号;
  • 小电压大电流的电源较多,其中0.95V电源最大电流80A;
  • 24层板且板厚小于2.8mm;

1.png 表1、阻抗及线宽要求


仿真介入前,原始设计叠层使用的是普通FR4材料,如S1000-2,IT180A等,叠层如下图1左边所示(最终确定使用22层)。

2.jpg 图1.原始层叠及损耗评估

在上图叠层的基础上我们可以看到4GHz时的单位长度损耗已经不能满足要求了,同时在8GHz时的损耗裕量也较小,所以至少需要选择中损耗的板材才能满足损耗要求。如下表2和表3为某中损耗板材的材料参数。


Thin core Standard Construction List
3.png 表2、 core参数


Prepreg Standard Construction List

4.png 表3、 PP参数


按照上面表2和表3的材料参数,在线宽固定的情况下,计算的阻抗如下所示。

5mil线宽的50欧姆单端阻抗计算如下。
5.png 5mil线宽需要调整到3.5mil才能满足50ohm的目标阻抗,调整会比较大,加工可靠性差。

4.2/10mil的100欧姆差分阻抗计算如下。
6.png 4.2/10mil的差分线需要调整到3.5/11.5mil才能控制100ohm的目标阻抗,调整也会比较大,加工一致性差。


4.5/8mil的差分90欧姆阻抗计算如下。
7.png 离目标阻抗90ohm有一定的偏差,还是需要调整才能满足要求。


上面的计算总体来看需要满足阻抗要求,必须把线变细,这样调整会较大,采用如下某low Dk的材料,材料参数如下表4所示。

Thin core Standard Construction List

8.png PrepregStandard Construction List

9.png 表4、 某low Dk材料参数


采用该low Dk的材料后,在线宽线间距不变的情况下,计算的阻抗如下所示。

10.png 5mil的线宽,只要微调就能满足50ohm的单端目标阻抗标准。


11.png 4.2/10mil的100欧姆差分线阻抗可以很好的满足100ohm的标准,不需要额外调整。
12.png 4.5/8mil的差分线只需要微调阻抗就能满足90ohm的标准。


以上计算可知在要求的线宽条件下,使用low Dk的板材在加工时基本不需要过多的额外调整就可以满足阻抗要求。


根据新的材料,调整叠层如下图2右所示。

13.jpg 图2.最终调整叠层


上面叠层在之前的基础上指定了玻纤类型,同时由于厚度的限制,该叠层使用了阴阳铜箔的芯板(使用阴阳铜箔的芯板时需要注意交期可控)。Low Dk材料的损耗曲线和原始FR4的损耗对比如下图3和图4所示。

14.png 图3.QPI信号评估

15.jpg 图4.PCIe3损耗评估


可知通过不同的板材选择,主要是为了满足阻抗、损耗及板厚等要求,不同的要求可选择的材料也是不一样的,此项目是在不计较成本,需要最快的交期的情况下的一个例子,在条件变化的情况下还有其他的选择,所以本例只是作为一个参考。

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