Amp Inc从传统和替代介电材料制造了一套印刷线路板

网络和电信中的数字系统速度正在不断提高，这些速度增加的速度也在加速。在很大程度上，这种趋势正在发生，因为从并行总线（时钟频率低于100 MHz）到以每秒多吉比特（gigabits）运行的串行信号路径的运动。目前，一些系统的运行速度为1.2 Gbps，一些公司正在寻求将速度提高到10 Gbps。

在这些速度下，互连结构（如印刷线路板和连接器）会对数据信号产生负面影响完整性。为了以数千兆位的速度成功传输数据，设计人员必须模拟他们的系统，并且通常必须使用非正统的构造技术。这些方法不仅可以增加数字系统生产成本，还可以增加设计成本。

为了理解如何实现多千兆位信号速度，Amp Inc从传统和替代介电材料制造了一套印刷线路板。工程师使用这些电路板收集有关高速信号特性的大量数据。通过这些数据，工程师能够预测使用传统印刷电路板的系统可以达到的最高速度。

测试板设计

设计每个测试板允许确定核心印刷线路板和带有连接器的典型信号路径的特性。捕获基本的印刷线路板特性需要在带状线和微带几何形状中构造直的50和75W传输线。这些线包括6到18英寸长的单端和差分类型。测试板还包括5至19密耳宽的迹线。改变印刷线路板叠层使得多个板能够保持恒定的阻抗和走线宽度。包括走线长度，宽度和阻抗的排列使得能够全面表征许多传输结构几何结构。

为了提供连接器如何影响信号行为的信息，每个测试板都包含一个通过Amp HS3连接器互连子卡的部分。 。为了在典型系统中提供一系列有关信号性能的数据，这些电路板部分还包括走线宽度，长度和阻抗的排列。

电介质材料

在设计电路板后，Amp使用不同的介电材料制作了几套电路板。所选材料代表了一系列制造商和电气特性。使用不同的介电材料，设计人员可以量化除传统FR4之外的材料如何影响高速信号的行为。经过调查，设计人员选择了玻璃 - 环氧树脂，聚苯醚（PPO），陶瓷和玻璃纤维增强聚四氟乙烯（PTFE）材料。

第一套板材采用Nelco 4000- 6，高性能型FR4，属于编织玻璃 - 环氧树脂材料族。第二组使用了Geok ML200，一种PPO型材料。第三组使用Rogers 4350陶瓷材料。最后一组板使用了Arlon CLTE，一种玻璃纤维增强PTFE材料。表1显示了制造商为这些材料列出的电气特性。

表1包括“相对成本”列。这些数据代表了您期望为替代电介质材料与FR4以及由这些材料制成的电路板所支付的近似价格。这些数字是Amp为10×20英寸支付的相对价格。测试背板有12个信号层。 Tyco Printed Circuits（Stafford，CT，1-860-684-5881）构建了所有电路板。

时间与频率数据

当设计人员完成测试板时，最初的方法是测量时域中的系统输出眼图。大多数系统设计人员和信号完整性工程师使用时域信号。眼图快速指示信号行为。

然而，很快就会发现时域眼图测试无法提供所有所需信息。首先，测试设备的运行速度只能达到3 Gbps，这太低了，无法满足项目的目标。其次，当您使用频率而不是时域数据时，提取材料和传输线参数会更容易。

为了解决这两个问题，设计人员更多地依赖于来自测试板的频率数据。来自网络分析仪的数据使频域测量高达6 GHz，可以对应高达10 Gbps的数字数据速率，具体取决于时域信号的上升时间。网络分析仪测量可以计算关键的介电材料参数，例如介电常数和损耗角正切。傅里叶变换算法可以轻松地将频率数据转换为更好理解的时域数据。通过这种方法，工程师可以轻松地分离或“去嵌入”测试结构的影响。

去嵌入测试点

各种测试板上50W带状线迹线的初始频域测量结果表明，所有测量结果均明显错误（图1）。此错误的来源是测试结构每端的测试点。测试点存在显着的阻抗失配，这会降低频域测量结果。

为了消除测试点对测量数据的影响，工程师使用了直通反射线（TRL）嵌入。该技术表征并从整体测量中去除测试点引入的可重复测量误差。图2显示了TRL去嵌入对测量数据的影响。黑线显示测量的S 21 幅度，蓝线显示去嵌入的S 21 幅度。正如所料，S 21 向上移动，因为在去除反射后更多的能量通过结构。请注意，S 11 现在在所有频率都为零，因为匹配的50W系统中没有反射。

去嵌入频率数据对于每种材料中的板迹，然后允许提取基本材料参数。您可以从S 21 的相速度数学推导材料的介电常数，并从S 材料的损耗角正切21 的幅度。图3显示了每种电路板材料的测量的去嵌入介电常数。图4显示了相应的损耗角正切。

注意每个基本材料参数如何随频率变化。您可以轻易忽略这种频率依赖性，因为大多数材料制造商只提供一对假设恒定的介电常数值和材料的损耗角正切。

图3和图4中的值略高于那些材料制造商提供。预测值和测量值之间的这种差异可能是由于在电路板制造期间在电介质材料中发生的变化。图3和图4中的数据代表了每种介电材料的最基本特性。了解材料的介电常数和损耗角正切可以精确建模有损传输线结构。

时域变换

因为大多数系统设计人员在检查时域眼图时感觉很舒服评估互连结构的性能，本文将转换后的频域数据呈现为时域眼图。从测试板组的眼图数据中，您可以得出有关传输线和互连结构的速度限制的结论。

图5显示了将频域数据转换为时域的技术眼睛图案。该过程涉及几个步骤。输入位模式转换到频域，然后乘以电路的频率响应。然后将该乘法的乘积（逆）变换回时域。结果是输出位模式，如果输入位模式已通过互连，您将看到输出位模式。覆盖此位模式的各个位会产生输出眼图。

将测量的3-Gbps眼图与经过转换的3-Gbps眼图进行比较，验证了该方法（图6和图7）。图6显示了直接测量的18英寸眼图。 FR4中的路径。图7显示了通过将频域测量转换为时域而为相同路径创建的眼图。几乎精确的相关性提供了变换技术的可信度。

带状线性能

去嵌入和变换技术产生的结果是所有介质材料中的50W带状线迹线的比特率一样高为9.6 Gbps。该数据涵盖5至19密耳宽，6至18英寸长的迹线。数据显示，对于给定的迹线长度，您可以从Rogers 4350中更窄的迹线获得与传统FR4中更宽的迹线相同的信号性能。相反，使用固定的迹线宽度，您可以在Arlon CLTE中实现相同的信号保真度，使用的迹线是FR4中的两倍。

通常，测试数据显示Rogers 4350和Arlon CLTE提供了显着的电气优于FR4和Getek的优势。图8显示了通过50W，12密耳，18英寸的60-psec，9.6-Gbps，K28.5信号的输出眼图性能。每种材料中的带状线迹线。 （K28.5是行业标准位模式-1100000101-用于空闲模式。）Rogers 4350和Arlon CLTE的最大眼图开口分别为426和520 mV，而FR4和Getek的开口仅为238和268 mV，分别。在这种高数据速率下，Rogers 4350和Arlon CLTE材料的开眼率几乎是FR4的两倍。替代介电材料的优点很明显。更重要的是，图8显示印刷线路板材料可以在合理距离内支持接近10 Gbps的数字信号传输速度。

系统性能

从系统角度来看，印刷线路板的集肤效应和介电损耗只是整体信号衰减的两个因素。要确定在系统中使用替代介电材料的优势，还必须包括连接器和镀通孔的效果。这些效应在确定输出信号质量以及是否可以通过系统发送10 Gbps方面发挥着关键作用。

测试板的子卡到背板到子卡部分允许检查信号性能。一个系统。这些连接类似于测试板的仅跟踪部分，除了每个信号路径包括两个Amp HS3连接器。图9显示了其余示例的信号路径的连接器位置和尺寸。测试点和其他不连续性影响仍保留在系统测试数据中，因为这些影响显示了真实系统组件如何降低信号性能。为了测量信号衰减，工程师逐步提高了数据速率。

在2.4 Gbps时，系统的输出眼图显示所有四种介电材料都允许令人满意的系统操作（图9）。输入比特幅度为1V时，FR4材料中最差情况下最大输出眼图开度为2.4 Gbps，为733 mV。 Getek，Rogers 4350和Arlon CLTE都显示出超过790 mV的最大眼图开度。

在4.8 Gbps时，系统产生了微不足道的结果。在FR4和Getek中，最大输出眼图开度分别仅为218和227 mV。在Rogers 4350和Arlon CLTE中，眼孔分别为378和516 mV（图10）。对眼图的检查表明，FR4和Getek的系统性能在4.8 Gbps时可能是不可接受的。相比之下，Rogers 4350和Arlon CLTE都提供了足够的改进，可提供可能接受的系统性能。

在9.6 Gbps时，系统使用任何介电材料都会产生不可接受的结果。所有输出眼图都被关闭（图11）。当您将图11的9.6-Gbps系统结果与图8的9.6-Gbps仅跟踪结果进行比较时，您会发现将互连结构引入信号路径会显着降低信号质量。虽然仅以9.6 Gbps的跟踪性能是合理可接受的，但即使使用替代介电材料，系统在相同速度下的性能也是不可接受的。

在信号速度低于2.4 Gbps时，替代介电材料提供了FR4的优势有限。在大约4.8 Gbps的速度下，Getek的性能与良好的FR4相似，而Rogers 4350和Arlon CLTE的性能明显更好。在接近9.6 Gbps的速度下，替代介电材料可提高跟踪性能，但系统组件（如连接器和电镀通孔）往往会主导信号损失。因此，在9.6 Gbps时，系统的行为方式不能反映替代介电材料的性能改进，并且往往与FR4系统的行为无法区分。

结论

检查穿过每种测试板材料的高速信号，可以发现Rogers 4350和Arlon CLTE在Getek和传统FR4上都有显着的性能提升。使用Rogers 4350和Arlon CLTE等材料，只要使用合理的走线宽度，就可以通过18英寸，50V线条印刷线路板结构以接近10 Gbps的速率成功传输数字信号。