Методы управления разрывами между скоростями на интерфейсах коннекторов на высокоскоростных Pcbs

Высокоскоростная конструкция печатной платы требует тщательного внимания к целостности межсоединений, и нигде это не является более важным, чем на сопряженном интерфейсе между печатной платой и разъемом. Прерывности импульса - локальные несоответствия в характерном импедансе пути передачи - являются основным источником отражений сигнала, деградации потерь при вставке и увеличения скорости ошибки бита. Поскольку время повышения сигнала сокращается и скорости передачи данных выходят за рамки 25 Гбит / с и в режим 100 Гбит / с, даже пикосекунды разрыва могут разрушить диаграмму глаза. Эта статья представляет собой полный набор инженерных методов, специально предназначенных для управления разрывами импеданса на интерфейсах разъема, сочетая теоретическое заземление с практическими, проверенными моделированием методами. Применяя эти подходы, инженеры целостности сигнала могут выйти за рамки простого соответствия импеданса для достижения надежных, готовых к производству высокоскоростных каналов.

Физика разрывов в интерфейсе коннектора

Прерывности импеданса возникают везде, где изменяются мгновенная геометрия или свойства материала линии передачи. При интерфейсе разъема одновременно происходят несколько таких изменений: след на переходе ПХБ через бочку, контактную площадку, сквозной отверстие или припойный штифт соединителя, внутренняя геометрия штифта разъема и, наконец, контакт сосуда. Каждый переход вводит непреднамеренную реактивную емкость из увеличенных штифтовых структур или паразитную индуктивность из штифта и через длины. Тяжесть разрыва количественно определяется коэффициентом отражения Γ = (Z — Z_]00₀, где Z₀ является номинальным импедансом характеристики следа (обычно 50 Ω или 100 Ω дифференциал). Даже отклонение 10% может создавать отражения, достаточно большие, чтобы ухудшать предельные значения напряжения в

Помимо чистого несоответствия импеданса, интерфейсы разъема также страдают от преобразования режима - эффекта, когда дифференциальные сигналы вызывают энергию общего режима из-за асимметрии в назначении штифта, геометрии филе припоя или искажения дифференциальной пары. Этот шум общего режима плохо контролируется каналом и может соединяться с соседними линиями или излучаться из корпуса разъема, что еще больше ухудшает качество сигнала. Понимание этих физических механизмов является предпосылкой для эффективного выбора контрмер.

Метод 1: точное импедансное соответствие с 3D-моделированием полного волнового диапазона

Традиционные 2D-решатели поля хорошо работают для однородных следов, но они не могут захватить трехмерную сложность разъемного следа. Для управления разрывами инженеры должны принять инструменты 3D полноволнового электромагнитного моделирования (например, Ansys HFSS, CST Studio Suite или Keysight EMPro). Эти тренажеры моделируют точную геометрию разъемной площадки, с помощью антипап и вырезов плоскости отсчета, позволяя инженеру итеративно оптимизировать интерфейс.

Оптимизация Via Antipad и Clearance

Наиболее эффективным рычагом в области сквозняка является антиплащ диаметр и очистка вокруг бочки сквозняка к плоскости земли. Более крупная антиплащ снижает паразитическую емкость сквозняка, повышая его эффективное импеданс. И наоборот, меньшая антиплащ увеличивает емкость. Настраивая антиплащ в стартовом слое (верхний слой, где штифт разъема встречается со следом), инженеры могут отменить индуктивную подпись штифта и создать почти плоский импедансный профиль. Типичные значения варьируются от 20 милс до 40 милс (0,5-1,0 мм) в зависимости от стекания слоя и высоты диэлектрика. Хорошо настроенная сквозная антиплащ может уменьшить падение импеданса с 35 & Омега; до 48 & Омега; с соответствующим падением коэффициента отражения от -15 дБ до -25 дБ.

Наземное ограждение через ограждение для подавления режима

Дифференциальные разъемы часто требуют земли через сшивание вокруг области запуска сигнала. Размещение небольших, низкоиндуктивных грунтов через близкие к сигналам через обеспечивает обратный путь для токов общего режима и уменьшает область петли, которая поддерживает нежелательные резонансы. Правило большого пальца: каждый сигнал через должен сопровождаться по крайней мере одним грунтом через в пределах 20–30 мил (0,5–0,75 мм) его центра. Для разъемов высокой плотности с шагом 1 мм, пошатнувшиеся ряды грунтовых с помощью предлагают лучший баланс между плотностью и электрическими характеристиками.

Техника 2: Копланарные волноводные переходы соединительного следа

Когда микрополоса трассы встречается с разъемной колодкой, резкое расширение ширины проводника вводит избыточную емкость. Более изящный переход может быть достигнут с помощью копланарного волновода (CPW) переходной секции непосредственно перед разъемом. В CPW, грунтовые следы работают рядом со следом сигнала на том же слое, обеспечивая контролируемую ссылку. Путем постепенного сужения ширины трассы и регулировки зазора земли, инженер может соответствовать запущенный импеданс к внутреннему импедансу разъема (часто измеряется поставщиком как «разъем TDR импеданс»).

Шаги реализации

1. Получите модель S-параметра разъема или профиль TDR от производителя (например, примечания Samtec, Molex, Amphenol).
2. В моделировании поместите участок CPW длиной 100-200 милс (2,5-5 мм) между основным следом и соединительной площадкой.
3. Усильте ширину трассы от центрального проводника CPW до ширины площадки в первой половине секции; поддерживайте соответствие импеданса, одновременно расширяя разрыв между землей и сигналом.
4. Используйте наземную плоскость на слое непосредственно под переходным слоем для поддержания согласованного распределения поля.

Этот метод особенно эффективен для разъемов краевых карт, где поле весловидной карты или штифта вводит сильное падение импеданса. Опубликованные данные от поставщиков разъемов показывают 30-40-процентное снижение пульсации потери вставки при использовании перехода CPW (]Samtec Signal Integrity Library).

Техника 3: Обыкновенное бродить и через уборку

В многослойных ПХД сигнальные каналы часто распространяются от верхнего слоя к внутренним слоям или к нижнему слою, оставляя заглушку — непрекращающуюся через секцию ствола. На частотах, где длина заглушки приближается к четверти длины волны, она действует как заглушка с открытым замыканием, создавая серьезную разрывную способность импеданса, которая может резонировать и поглощать энергию. Этот эффект особенно деструктивен на интерфейсах разъема, где кластеризованы несколько заглушек.

Назад бурение (также называемое бурением с контролируемой глубиной) удаляет неиспользованную часть бочки после обшивки. Вторая операция бурения, тщательно контролируемая глубиной, отрезает заглушку, оставляя только длину, необходимую для достижения целевого слоя. Для разъемов на высокоскоростных платах, обратное бурение всех сигналов через в пределах 10 милс (0,25 мм) целевого слоя является стандартной практикой. Однако допуск глубины бурения должен контролироваться до ±2 милс (0,05 мм), чтобы избежать повреждения сигнального слоя. Некоторые производители предлагают последовательную ламинацию со слепыми заслонками для полного устранения заглушек, но премия за стоимость может быть оправдана только для самых быстрых конструкций (выше 56 Гбит/с).

Техника 4: Оптимизация формы солдера и пада

Припой между штифтом разъема и ПХД-пласом часто упускается из виду, но вносит значительный вклад в вариацию импеданса. Для междырочных разъемов ствол штифта проходит через прокладку и припаивается с нижней стороны. Получившееся филе припоя образует луковичную форму, которая увеличивает емкость на прокладке. Коннекторы поверхностного монтажа сталкиваются с другой проблемой: гребневая прокладка на ПХБ больше следа, создавая локализованную емкостную прокладку.

Оптимизация через коннектор

Для смягчения эффекта сквозного отверстия инженеры могут уменьшить диаметр подушки на всех, кроме верхнего и нижнего слоев. На внутренних слоях, где штифт проходит через неиспользованный, подушка может быть полностью удалена (техника, называемая «нефункциональным удалением подушки» или NFPR). Это уменьшает паразитическую емкость, которая в противном случае появлялась бы на каждом промежуточном слое. Кроме того, указание более плотной маски припоя заставляет филе припоя в более контролируемую форму, уменьшая его емкость до 15%.

Оптимизация подключения Surface-Mount

Для разъемов SMT могут использоваться наземные схемы : подкладка разделена на несколько меньших подкладок или форму «догбон», которая уменьшает емкостную площадь при сохранении паяльности. Вырез грунта под подкладкой (если таковой имеется) должен быть настроен так, чтобы соответствовать импедансу соседнего следа. Некоторые поставщики разъемов теперь предлагают «настроенные на сопротивление» следы с рекомендуемыми наземными средствами защиты (например, Molex Signal Integrity Resources ).

Метод 5: Выбор диэлектрического материала и стековая симметрия

Импеданс очень чувствителен к диэлектрической постоянной (Dk) и коэффициенту рассеивания (Df) ламината ПХД. На интерфейсе разъема сигнал может кратковременно проходить через воздушный зазор или через внутренний материал корпуса разъема, который имеет Dk обычно между 2,5 и 4,5 - отлично от материала ПХД (3,5-4,2 для FR-4 или 3,0-3,5 для материалов с низкими потерями, таких как Megtron 6 или Rogers 4350B). Это резкое диэлектрическое изменение создает преломляющее несоответствие.

Лучшим смягчением является выбор разъема, внутренний диэлектрик которого имеет Dk как можно ближе к материалу ПХД. Когда это невозможно, инженеры могут включить импедансный удар, локально отрегулировав ширину трассы в области 100-200 миль перед разъемом, чтобы компенсировать эффект диэлектрика. Полноволновое моделирование необходимо для подтверждения коррекции.