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高速板材应用案例

来源:一博自媒体 时间:2020-1-6 类别:微信自媒体

作者:周伟  一博科技高速先生团队队员

上期的文章讲了高速板材的使用注意事项,同时也问了大家是如何选择适合自己产品板材的问题,其实这个问题需要具体问题具体分析,本期通过一个案例来分享其中的一种板材选择的情况(本案例在高速先生出版的《高速电路设计仿真实战—信号与电源完整性》一书的第12章中有,很多网友在问案例可以在哪里下载,本期我们就以文章的形式给大家分享出来)。
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; 
 
表1、阻抗及线宽要求

在仿真介入前,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)。
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

表2、 core参数

Prepreg Standard Construction List
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。

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。

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。
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

PrepregStandard Construction List
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。

5mil的线宽,只要微调就能满足50ohm的单端目标阻抗标准。

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。

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。

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。
图3 QPI信号评估


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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