一种有效建立连接准确传输线和过孔模型通道的方法

1前言

当高速通道数据传输速率达到百万兆每秒时，就必须通过严格仿真通道中每个模块来优化通道的质量，这些模块包括链接器，传输线，过孔和封装。它们都可能是造成阻抗不连续的来源，将会造成信号衰减，最后使通道质量变差。为了达到最优化的通道质量，SI工程师需要一个快速的方式来仿真这些阻抗不连续的地方并建立一个可快速评估的通道。

这篇应用笔记阐述了一种有效的建立准确传输线与过孔模型的方法，最后通过仿真得到模型实现通道的级联。

通道的质量可以通过仿真得到的S参数和TDR 阻抗图表结果来判定。参数化扫描传输线和过孔S参数可以实现快速的what-if分析，帮助设计者优化通道属性。

2无源通道结构

一个典型的背板通道如图1所示，其包括一个背板和通过链接器连接在一起的两个子板。从发送端到接收端，阻抗不连续主要在封装到板子，链接器到板子和传输线间的传输上。为了达到通道的设计要求，首先研究了不同的介质材料FR4，FR408HR, Megtron 6, 和ParkpNelco N4000-13 EPSI的影响 ，通过分析其结果，帮助设计者评估通道的损耗大小并比较其通道设计余量。

图1 高速设计中的典型通道模型

01

传输线和过孔模型

首先选择典型的FR4层压材料与低损耗材料FR408HR、Megtron 6、Nelco N4000-13 EPSI来研究不同的介质材料的影响。它们的介电常数和损耗因数如表1，并包括了阻抗为100ohm的传输线尺寸【1】。传输线导体厚度，宽度，间距，顶层与底层的高度的尺度以um为单位。选择如图2芯禾科技的ChannelExpert中耦合带状线的TML模型作为传输线来研究其影响并假设线长为12inch。

表1 四种不同层压材料属性及传输线尺寸

图2 芯禾 ChannelExpert中的耦合带状线TML模型

图3为四种不同层压材料的S参数与TDR ，为便于比较，加上了OIF CEI-25G-LR 规范面罩，这样设计者在计划阶段便能判断插损是否合乎规范。有最小损耗因数的Meg6插损值最小而有最大损耗因数的典型的FR4插损值最大，因此在这个设计选择了有最小插损值的Meg6。

表2 四种材料

图3 四种不同层压材料的S参数与TDR

通道的阻抗不连续主要来自封装到板子或者链接器到板子间传输的过孔，因此需要优化过孔使其满足目标阻抗100ohm的要求。为了使阻抗在其范围，常使用背钻技术，如图4所示。表3列出了不同背钻深度的最小阻抗，我们可以清楚的看到其结果TDR阻抗变化。

表3 四种不同背钻深度时的最小阻抗

图4 四种不同深度背钻的3D模型与TDR

02

通道分析

由传输线模型、过孔模型及从厂商获取的链接器模型，我们可以在ChannelExpert快速建立通道链路。通过利用ChannelExpert中的参数化扫描计划功能，设计者可以依据参数设计要求快速做what-if 分析。

图5 芯禾ChannelExpert中的高速通道

1）变量：传输线长度

背板中TML模型的传输线长度从10inch,15inch,20inch,到25inch变化。为了规范检查需要，在图表上加了OIF CEI-25G-LR规范面罩。我们可以清楚的看到当传输线长度增加到25inch时，其结果不能满足规范要求，如图7所示。

图6 芯禾ChannelExpert中TML设置

表4 扫描计划中四种不同传输线长度

图7 扫描背板TML模型不同传输线长度时的S参数与TDR

2）变量：过孔S参数

当取子板上传输线长度为5inch，背板传输线长度为12inch时，我们扫描背板过孔的S参数。其通道的S参数与TDR结果如图9所示，为便于比较，加上了OIF CEI-25G-LR规范面罩。背钻深度对通道质量产生了明显的影响。当背钻深度为102.4mil时，整个通道的IL及ILD没有达到规范要求。

图8 芯禾ChannelExpert中扫描不同的S参数

表5 四种不同背钻深度

图9 扫描背板过孔S参数时的S参数和TDR

3总结

本篇应用笔记说明了一种有效建立连接准确传输线和过孔模型通道的方法，分析了级联后的通道属性。参数化扫描传输线及过孔模型使快速what-if分析能满足通道要求。