Hoogdichte FDR-interconnect-schakelborden: ontwerp en implementatie

Tegenwoordig is de transmissiesnelheid van hoogpresterende computer-interconnectienetwerk met de toepassing van hoge-snelheidsseriele transmissie ontwikkeld tot FDR (Fourteen Data Rate, 14 Gb/s), de 4e generatie vanaf de primaire SDR (Single Data Rate, 2,5 Gb/s), DDR (Double Data Rate, 5 Gb/s) en QDR (Quad Data Rate, 10 Gb/s). Het ontwerp van PCB (Printed Circuit Board) met interconnectie- en schakelbord en interfacekaarten die essentieel zijn voor de vorming van Internet, is de FDR hoogspannings- en hoge-frequentievelden binnengegaan. Aangezien de stijgtijd van FDR-signaal drastisch is verminderd tot de orde van 10 ps, is een reeks problemen met betrekking tot signaalintegriteit de kernkenmerken geworden om de mogelijkheid van functionaliteitsimplementatie en betrouwbare werking te bepalen, zoals demping, crosstalk, reflectie, elektromagnetische interferentie etc. Gebaseerd op de kenmerken van FDR-interconnectiechips inclusief meerdere poorten, meerdere kanalen, meerdere voedingscategorieën en hoog energieverbruik, moeten meerdere interconnectiechips altijd worden geïntegreerd op een enkel interconnectiebord om de doorvoersnelheid te verhogen. Op een bord met beperkte ruimte, aan de ene kant, moeten sommige vereisten worden vervuld inclusief componentlay-out en warmteafvoering, routing met hoge dichtheid, lange-afstandstransmissie over de achterkant van het bord en integriteit van allerlei signalen. Aan de andere kant, moeten sommige elementen in overweging worden genomen inclusief PCB-ontwerpperiode, PCB-fabricagetechniekbeperkingen en kostenbeheer. Daarom is het extreem moeilijk voor ontwerpuitlevering en simulatieverificatie. Gebaseerd op PCB-ontwerpvoorbeeld van FDR-interconnectie- en schakelbord, brengt dit artikel enkele optimalisatiemethoden aan in termen van substraatmateriaalselectie, stack-up-ontwerp, routing-regels en anti-interferentie-ontwerp om het integriteitsprobleem van allerlei signalen in het proces van FDR hoogspannings-PCB-ontwerp op te lossen.

Dempingskenmerk en substraatmateriaalselectie

Voor FDR hoge-frequente signalen, is transmissielijnverlies het probleem met betrekking tot signaalintegriteit. Wanneer FDR-signalen worden getransporteerd van zendterminal naar ontvangstterminal langs interconnectiekanalen, omdat de hoge-frequente demping veel groter is dan lage-frequente demping, heeft ernstige vervorming plaatsgevonden aan de signaalgolfvorm die aankomt op de ontvangstterminal. De vervorming is hoofdzakelijk geclassificeerd in twee aspecten: de spanningszwing van signalen heeft aanzienlijk afgenomen, terwijl slechte degradatie heeft plaatsgevonden aan signaalstijgflank. De eerste beperkt de transmissieafstand van signalen, terwijl de laatste leidt tot interferentie tussen codes. Transmissielijnverlies A kan worden beschouwd als de som van geleiderverlies A_cond en diëlektrisch verlies A_diel zoals getoond in Formule (1): A = A_diel + A_cond.

Geleiderverlies verwijst naar het verlies veroorzaakt door de seriële weerstand op koperen geleider tussen signaalpad en terugkeerpad. In de situatie van hoge frequentie, maakt huid-effect stroom vloeien aan het oppervlak van omringende koperen geleiders. Met de toename van equivalente seriële weerstand van koperen geleiders, zal geleiderverlies stijgen met de toename van frequentie dat positief evenredig is met de vierkantswortel van frequentie, wat in Formule (2) geïllustreerd wordt: .

Diëlektrisch verlies verwijst naar het verlies gegenereerd door het medium van substraatmateriaal, hoofdzakelijk bepaald door het attribuut van materiaal en ongerelateerd met geometrische constructie inclusief geleiderbreedte, positief evenredig met frequentie, wat in Formule (3) getoond wordt: .

Gebaseerd op Formule (2), is de toename van lijnbreedte in staat om geleiderverlies te verminderen. Echter, in het praktische PCB-ontwerp, kan de breedte van geleiders nooit oneindig breed zijn als gevolg van beperking van afstand tussen pennen, bord, aantal signaallagen en impedantie. De algemeen toegepaste geleiderbreedte/afstand/breedte in FDR-ontwerp is meestal 7 mil/7 mil/7 mil of 8 mil/10 mil/8 mil. Wanneer de geleiderbreedte hetzelfde is, is geleiderverlies positief evenredig met geleiderlengte, zonder enige relatie met materiaal. Daarom, om de algehele transmissieverlies te verminderen, hoeft alleen diëlektrisch verlies in overweging te worden genomen. Gebaseerd op Formule (3), is diëlektrisch verlies evenredig met dissipatiefactor en de toepassing van kleine dissipatiefactoren kan behulpzaam zijn voor de reductie van diëlektrisch verlies, leidend tot de verlies van algehele transmissie.

Tabel 1 geeft de attribuutparameters van drie gewone hoogspannings-bordmateriaal en verlieswaarden berekend volgens Formule (1), (2) en (3) wanneer transmissiesnelheid 14 Gb/s is, geleiderbreedte 8 mil en impedantie 50 Ω.

Het kan worden aangegeven dat met de transmissiesnelheid van 14 Gb/s en transmissielengte van 30 inch, het algehele transmissieverlies van Nelco4000-13SI ongeveer 14 dB is, terwijl de spanningszwing-demping die typische FDR-chip kan weerstaan, in het bereik ligt van 20 dB tot 25 dB. Daarom kan dit type bordmateriaal worden toegepast in FDR-interconnectie-schakelbordontwerp met transmissieafstand die minder is dan 30 inch. Echter, het algehele transmissiedemping van FR4 is ongeveer 27 dB en FR4 kan niet worden toegepast voor FDR-ontwerp van lange-afstand, maar FDR-interconnectie-interfacekaarten met korte transmissieafstand is toegestaan om FR4 te selecteren om de kosten te verminderen. Wat betreft Megtron6 wiens algehele transmissiedemping het kleinst is, heeft het de hoogste kosten en de toepassing ervan in FDR leidt tot de toename van systeemarchitectuurkosten. Concluderend, voor hoge-frequente PCB, is bordmateriaal de basis en selectie van bordmateriaal bepaalt de transmissielengte van signalen.

Lay-out en Stack-ontwerp

Voor PCB-ontwerp, moeten printplaatstructuur en stack in overweging worden genomen. Meestal is het patroon en de vorm van printplaat bepaald en de bepaling van stack-aantal ligt in signaalfrequentie, printplaat-pindichtheid, PCB-fabricagekosten, fabricageperiode en betrouwbaarheidsvereisten. FDR-interconnectie-schakelborden hebben hoge frequentie en dichtheid en toepassing van meerlagige borden is de noodzakelijke stap om interferentie te verminderen. Bovendien is de bepaling van stack-aantal cruciaal.

Er zijn 20 poorten op FDR-interconnectiechip en elke poort kenmerkt 8 Tx-kanalen en 8 Rx-kanalen in de werkwijze van intercoupling. 6 interconnectiechips en 3 downlink-chips worden toegepast door FDR-interconnectiebord en 32 poorten worden benaderd door achterkant-connector. 3 uplink-chips benaderen 21 poorten door QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) optische vezels. Uplink-chip en downlink-chip zijn met elkaar verbonden door 4 poorten, wat in Figuur 1 getoond wordt.

FDR kenmerkt het package van BGA (Ball Grid Array) met een oppervlakte van 50 mm × 50 mm, 1157 pennen en spacing van 1,0 mm en P/N-pennen aan de poorten van Tx en Rx zijn verdeeld volgens 3 concentrische cirkels. Theoretisch kunnen 3 signaallagen worden toegepast om alle pennen aan alle poorten uit BGA te leiden. Met de volgende twee elementen in overweging genomen, kunnen twee signaallagen worden gebruikt om een groep pennen van concentrische cirkels te benaderen.
a. Vanwege de beperking van spacing, is de lijnbreedte/afstand/lijnbredte van differentiële lijnen 4 mil/4 mil/4 mil en het zal worden uitgebreid in 8 mil/10 mil/8 mil komend uit BGA en de afstand tussen differentiële lijnparen moet niet minder zijn dan 50 mil. Daarom moet een paar differentiële lijnen een breedte van 2 mm innemen en 48 paren signalen zijn langs de rand met de grootste dichtheid. Dus is het moeilijk om deze methode te implementeren.
b. Spacing tussen BGA-pennen is 1 mm. Als een signaallaag wordt toegepast om een groep concentrische cirkel signalen te benaderen, is de spacing tussen differentiële lijnparen onder BGA slechts 14 mil, wat ver is van de vereiste 50 mil. Bovendien is de maximale parallelle routinglengte slechts 20 mm, wat enige crosstalk zal genereren.

Om de negatieve factoren bovengenoemd te vermijden, worden twee signaallagen toegepast om een groep concentrische cirkel signalen te benaderen en differentieel signaal op elke signaallaag moet worden uitgevoerd uit BGA volgens 50 mil spacing. Daarom zijn ten minste 6 lagen vereist door FDR-interconnectieborden om alle differentiële signalen uit BGA te leiden. Met de connectiviteit en routinghoeveelheid van bord en voldoende bordoppervlak voor wisselkoppeling condensator in overweging genomen, worden 8 interne signalen en 22-laags stack toegepast.

Crosstalk-analyse en reductiemaatregelen

Crosstalk is de eerste overweging in termen van hoge-snelheids- en hoge-dichtheidsschakelontwerp. Wanneer spanning en stroom in de aanvallende lijn veranderen, zal elektromagnetische koppeling plaatsvinden door wederzijdse capaciteit en wederzijdse inductie tussen aanvallende lijn en slachtofferlijn. De crosstalk die stroomt naar transmissieterminal langs slachtofferlijn wordt nabij-terminal crostalk genoemd, terwijl de crosstalk die stroomt naar ontvangstterminal langs slachtofferlijn ver-terminal crosstalk wordt genoemd. Algemeen gesproken, moet de algehele ruisspanning op de slachtofferlijn worden gecontroleerd minder dan 5% van signaalspanning. Het is het beste om de crosstalk-budget van enkelrand-aanvallende lijn binnen 1% te controleren met andere ruisbron en aanvallende lijn rond twee zijden van slachtofferlijn in overweging genomen.

De sleutelpunten die in termen van crosstalk-reductie moeten worden gevolgd, omvatten:
a. De spacing tussen aanvallende lijn en slachtofferlijn moet worden vergroot en parallelle routinglengte moet worden verminderd.
b. Geïntegreerde ground wordt toegepast als het terugkeerpad van signalen. Volgens empirische wet, voor de striplijn van 50 Ω, wanneer de spacing drie keer de lijnbreedte is, is nabij-eind crosstalk ongeveer 0,5%. Voor microstriplijn van 50 Ω, wanneer de spacing drie keer de lijnbreedte is, is nabij-eind crosstalk ongeveer 1%. Het ver-eind crosstalk op striplijnen of volledig ingesloten microstriplijnen is bijna nul en de ver-eind crostalk-polariteit van microstrip-transmissielijnen is negatief met zijn omvang relatief groot, omdat de invloed van inductieve koppeling groter is dan capacitieve koppeling.

Interval-routing

In dit ontwerp is de differentiële impedantie van hoge-snelheidsdifferentiële lijn 100 Ω. Gebaseerd op Si9000 field solver, wordt de lijnbreedte/afstand/lijnbredte berekend als 8 mil/10 mil/8 mil. Hoe breder de lijn is, hoe kleiner de demping is en de spacing van 10 mil is om de differentiële impedantie van 100 Ω te handhaven. Dit type differentiële lijn wordt buiten BGA-chipgebied toegepast. Om crosstalk te verminderen, is de spacing tussen twee paren differentiële lijnen niet minder dan 80 mil. De spacing tussen pennen van interconnectiechip in dit artikel is 1 mm en de doorplaat-groottebeperking van BGA maakt de lijnbreedte/afstand/lijnbredte van de differentiële lijn in het BGA-chipgebied 4 mil/4 mil/4 mil. Hoewel de differentiële impedantie van dit type differentiële lijn ook 100 Ω is, is de leidafbraak groot, wat vereist dat differentiële lijn van 4 mil/4 mil/4 mil zo spoedig mogelijk wordt getransformeerd in 8 mil/10 mil/8 mil zodra het het BGA-chipgebied binnenkomt. Om crosstalk te verminderen, past differentiële lijn van 4 mil/4 mil/4 mil in BGA-chipgebied de manier van interval-routing toe om de spacing tussen twee paren differentiële lijnen meer dan 50 mil te garanderen, wat in Figuur 2 getoond wordt.

Differentiele gaten

Specifieke differentiele gaten worden in dit ontwerp ingesteld voor de toepassing van wisselkoppelingcondensator op de verbindingsoppervlaktelaag. Ground-gaten moeten naast differentiele gaten worden geplaatst om terugkeerkanaal voor terugkeerpad te bieden. Ontwerp van vier ground-gaten heeft het beste effect en twee ground-gaten kunnen ook worden toegepast wanneer het bordoppervlak beperkt is. Bovendien moeten maatregelen zoals back-drilling en interne pad-eliminatie worden genomen aan differentiele gaten om de impedantieverandering bij differentiele gaten te verminderen, om crosstalk en reflectie te verminderen.

Voorkomen dat Tx en Rx in dezelfde laag gerouteerd worden

Om crosstalk te verminderen, moet Tx-differentiele lijn in een andere laag worden gerouteerd dan Rx-differentiele lijn. Hier verwijst Tx naar de bronterminaal van differentiele lijn, terwijl Rx verwijst naar de ontvangstterminaal van differentiele lijn. Als beide van hen in dezelfde laag moeten worden gerouteerd, moet de spacing tussen hen meer dan 5 mm zijn om veiligheid te garanderen.

20H-regel

In de PCB-schakeling met hoge frequentie en hoge snelheid, wordt RF-energie gekoppeld door PCB-voedingslaag en groundlaag en rand-magnetische vleklekage wordt gegenereerd tussen voedingslaag en groundlaag. De radio RF-energie kan naar de vrije ruimte worden gestraald. 20H-regel geeft aan dat als er hoge-snelheidsstromen op het bord zijn, er elektromagnetische velden geassocieerd met hen zijn. In het ontwerp van dit artikel, moet de afstand tussen alle routings en bordrand ten minste 20 keer de lijnbreedte zijn en de afstand tussen hoge-snelheidsdifferentiele gaten en voedingsvlak-afsnijlijnen is ten minste 5 mm.

Routing op de oppervlaktelaag

In het ontwerp van hoge-frequente PCB's, met de relatief grote ver-eind crosstalk tussen microstriplijnen en striplijnen in overweging genomen, zijn hoge-snelheidsdifferentiële lijnen verboden op de oppervlaktelaag. In het ontwerp van dit artikel, zijn ten hoogste 8 interne routinglagen vereist vanwege de beperking van fabricagetechniek. Bovendien maakt de terminal-rangschikkingsbeperking van interconnectiechip het onmogelijk voor alleen interne lagen om de verbindingen van de interconnectie-differentiele lijnen tussen 6 chips binnen verbindingsbord te implementeren.

Nuttige bronnen
• Iets wat je moet weten over HDI
• Geschiedenis van hoge-dichtheid-verpakkings-technologie
• 3 Sleutels om een succesvol HDI-PCB te ontwerpen
• Voordelen van HDI-geprinte schakelborden
• Volledige PCB-fabricagedienst van PCBCart - Meerdere waarde-toevoegende opties
• Geavanceerde PCB-assemblagedienst van PCBCart - Vanaf 1 stuk