用3DEM模型研究纤维编织对PCB的影响

文章:张飞怡

本文研究了在单一结束模式下传播延迟和特性阻抗的模式转换和差分插入损耗方面对PCB的纤维编织效应。

PCB电介质基板是由玻璃纤维编织而成,用环氧树脂加强。在PCB上的纤维编织和常用的编织图案的玻璃尺寸的微观视图如图1所示。浅棕色的粗线条为玻璃纤维,黑色的方柱为环氧树脂填充的玻璃沥青。三种织造花纹中,在水平和垂直轴上,有106种花纹间距最大或玻璃密度最低,3313种花纹间距最小或玻璃密度最高。

图1所示。PCB上纤维组织的显微视图和常用组织图案的玻璃尺寸(Isola)

玻璃纤维材料具有与环氧树脂截然不同的介电性能。例如,ne -玻璃具有介电常数(εr)和损耗切线(Df)分别为4.5和0.001。同时,环氧树脂中含有εr3,这是非常不同的与纤维玻璃。当使用具有较低玻璃密度的PCB基板时,差分信号的迹线可以更频繁地跨越树脂和纤维玻璃的不同区域。结果,沿着从发送到接收端的路径频繁地改变单个结束模式中的信号的传播延迟。此外,单个结束模式中的跟踪阻抗也遇到了视差。关系受到欧安易平的管辖。(1)和(2)分别。

这种现象对千兆差分信号的传输提出了很大的挑战。非反相信号(p线)的迹线可以路由在玻璃纤维上,而反相信号(n线)的迹线可以跨越多个树脂区域,即非均匀基板条件。因此,由于n线所经历的传播延迟不断变化,共模时p线和n线之间的相位差可能远远小于180o在接收端。共模信号波形的上升沿和下降沿之间的偏差或未对流的较大程度地缩小了眼图开口。此外,非均匀基板条件也导致P线和N线之间的轨迹阻抗的视差,这反过来加强了传输通道的差分插入损耗。最终,在接收端经历了高位错误。

使用Keysight EMPRO的三维电磁(3DEM)仿真分析了不同编织模式对特性阻抗,微分插入损耗(SDD21),眼图和差分的纤维编织效果。

分析和结果

图2描述了Keysight EMPro模拟的纤维织图为106、1080和3313的差分微带。对于每一个编织图案,P和n线痕迹有5密耳宽,10英寸长,1.2密耳厚,对内间距10密耳,路由高于地面3密耳。在痕迹和地平面之间的玻璃纤维和树脂分别用绿色和白色表示。玻璃和树脂根据图1中规定的尺寸建模。在微带道的两端分别设置仿真端口,然后进行4端口s参数提取。

图2所示。使用Keysight EMPro建模的差动微带106、1080和3313的俯视图

从图3中阻抗图可以看出,织纹106(即间距最大)微带的累积非均匀条件最长,因此P线和n线之间的道阻抗相差最大,为4欧姆。同时,织纹为1080(即中等间距)的微带与织纹106相比,累积非均匀条件更短,因此P线和n线之间的道阻抗差异更小,为1欧姆。另一方面,织纹为3313(即间距最小)的微带具有最小的非均匀条件,因此P线和n线之间的道阻抗是平衡的。

图3所示。P线和n线的线阻抗为106,1080和3313

由于ε的差异,P和N线之间的不平衡阻抗和传播延迟r在非均质环境中,Sdd21增强,如图4所示。Sdd21所经历的传输线与三种编织图案相似,最高可达500mhz。在500 MHz以上,织纹为3313的微带的Sdd21最低,这是由于玻璃纤维的衰减损耗造成的。同时,由于纤维组织的不均匀环境造成额外的损耗,106和1080型微带的Sdd21比3313型微带的Sdd21更大。Sdd21在模式106中遇到最糟糕的情况,这是由于其最大的阻抗差异,由其最长的基音和累积的非均匀条件造成的。

图4.具有10英寸微带的SDD21图,织物图案106,1080和3313

随后,10英寸的参数模型与每个编织模式导入到微带信道仿真拓扑使用Keysight广告,图5中描述分析眼图在差模和共模的传播延迟1 Gbps(例如,低速度等级)和5 Gbps分别(例如,更高的速度等级)。在两个速度等级下,在s参数模型的发射端注入一个上升/下降时间为80 ps、幅值为1 Vpp的不归零(NRZ)差分方波信号,在模型的接收端分析眼图和传播延迟。在这个模拟1000数据位被发送,预/去强调和均衡功能被禁用。

图5.通道仿真拓扑分析眼图和传播延迟

With reference to the time domain analysis results at lower speed grade of 1 Gbps (i.e., Nyquist frequency 500 MHz) shown in Fig. 6a, 6b and 6c respectively, pattern 106 faces the largest unbalanced propagation delay between P (i.e., red waveform) and N-line (i.e., blue waveform), indicated by condition whereby the rising and falling edges of the waveforms cross at +/- 0.15 V, i.e., the level further away from 0 V. On the contrary, in pattern 3313, the rising and falling edges of the waveforms cross at 0 V, indicating a balanced propagation delay between P and N-line. However, the eye diagram for each weave pattern has the similar height, i.e., ~ 0.92 Vpp, as the Sdd21 at 500 MHz experienced by each pattern is the same, i.e., -1.1 dB, as shown in Fig. 4.

图6 a。眼图(左)和传播延迟(右)在1gbps,图形106

图6 b。眼图(左)和传播延迟(右)在1gbps,图案1080

图6C。眼图(左)和传播延迟(右)以1 Gbps,图案3313

从图7a、7b和7c的眼图可以看出,在速度等级为5gbps(即奈奎斯特频率为2.5 GHz)的情况下,超过500 MHz时,纤维编织效应更加显著。织样3313的中点眼图高度最大,为0.75 Vpp,而织样106的中点眼图高度最小,为0.5 Vpp。这种现象是由图4所示106模式在2.5 GHz时额外的3 dB衰减引起的。

图7 a。眼图(左)和传播延迟(右)在5gbps,图形106

图7B。眼图(左)和传播延迟(右)以5 Gbps,图案1080

图7C。眼图(左)和传播延迟(右)以5 Gbps,图案3313

随后,分析了每个编织图案的SDC21,在图8中绘制。较小的SDC21幅度表示与共模转换的更强大的差异,即,对共模串扰的差分信号对的更好的抗扰度。在图案3313中经历的宽带跨越的SDC21与另外两个模式相比至少为20dB,因此易于易于共同模式串扰。

图8所示。Sdc21图为1英寸微带,编织图案为106,1080和3313

总结

本文比较了PCB行业常用的三种花型的纤维编织效果。对于5gbps及以上高速级的PCB传输通道设计,在基板上使用最小玻璃间距的编织图案3313,以减少衰减和不平衡的传播延迟,从而增强信号的完整性。

参考文献

[1] E. Bogatin,“信号完整性-简化(第一版)”

[2] Isola - 了解玻璃面料,https://www.isola-group.com/wp-content/uploads/understanding-glass-fabric.pdf.

阻抗计算器,https://www.everythingrf.com/rf-calculators/microstrip-impedance-calculator

[4] Keysight EMPro,https://www.keysight.com/my/en/products/software/pathwave-design-software/pathwave-em-design-software.html

[5] Keysight广告,https://www.keysight.com/my/en/products/software/pathwave-design-software/pathwave-advanced-design-system.html

- 常飞怡是Keysight Technologies的硬件和Si / Pi的技术领先

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