高速板材应用案例

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某单板为芯片测试验证板，其中需要满足阻抗及损耗的一些要求，同时交期也很紧张，另外客户还限制了线宽要求，部分要求如下：
# P! H* t- K0 ~4 L. w4 I

• 高速信号部分有12.5Gbps Interlaken信号、QPI、PCIe3.0信号(后面有兼容PCIe4.0的要求)，另外还有10.3125Gbps到光口信号；
  
  

• 高速信号损耗要求：
  2 ]( Z+ o: t, ^# X' V-0.8dB/inch@4GHz,-1.6dB/inch@8GHz
  % G. U, Y% \" _

• 差分信号阻抗控制有85ohm、90ohm和100ohm，单端按照50ohm控制，阻抗及线宽控制表如下表1所示;
  0 q# k8 u0 d9 M: \. I: W! e: z( ^

• 4通道ddr4信号；
  

• 小电压大电流的电源较多，其中0.95V电源最大电流80A;
  

• 24层板且板厚小于2.8mm;
  
  

  
  2 n6 c, R6 x' ?4 K$ }5 O3 ?) L

表1、阻抗及线宽要求
4 B& }( }3 q( J& z' g) n, X
2 r5 L1 v+ \- K8 I# c7 F/ X4 _2 d
在仿真介入前，原始设计叠层使用的是普通FR4材料，如S1000-2,IT180A等，叠层如下图1左边所示（最终确定使用22层）。

图1.原始层叠及损耗评估

6 Z& l/ @3 Q% `1 D# Y, _, P4 J在上图叠层的基础上我们可以看到4GHz时的单位长度损耗已经不能满足要求了，同时在8GHz时的损耗裕量也较小，所以至少需要选择中损耗的板材才能满足损耗要求。如下表2和表3为某中损耗板材的材料参数。

* u$ h8 g/ P1 `3 u; t. r
- v$ a* d  Z& V' R9 eThin core Standard Construction List
& p! s9 J$ Y7 b& H" S& W 表2、 core参数


. f2 f* P- i; G. A5 f5 e$ ]$ ^Prepreg Standard Construction List

) e' f3 x2 ^- r* S 表3、 PP参数
" [' h5 W5 `0 @

按照上面表2和表3的材料参数，在线宽固定的情况下，计算的阻抗如下所示。

) z" s4 ]* C1 j5mil线宽的50欧姆单端阻抗计算如下。
( |2 e9 @4 k, V8 l  l$ W9 M  {- c 5mil线宽需要调整到3.5mil才能满足50ohm的目标阻抗，调整会比较大，加工可靠性差。
  A# R6 c2 v0 B  N. ]
9 Q' ^# _3 d& S9 b( {4.2/10mil的100欧姆差分阻抗计算如下。
1 k: u1 l" R/ L- ~& F, F" G' a: g 4.2/10mil的差分线需要调整到3.5/11.5mil才能控制100ohm的目标阻抗，调整也会比较大，加工一致性差。
+ N! C, e' B. @" {

4.5/8mil的差分90欧姆阻抗计算如下。
离目标阻抗90ohm有一定的偏差，还是需要调整才能满足要求。

% S( [) J  ^9 Z
上面的计算总体来看需要满足阻抗要求，必须把线变细，这样调整会较大，采用如下某low Dk的材料，材料参数如下表4所示。
8 M9 |+ ?7 r- [
( D8 i. B) F! \* L' X0 \0 J# SThin core Standard Construction List

4 l: E1 R/ h8 ?; b) q% B* g1 H PrepregStandard Construction List
8 t9 E8 z8 \7 l. i" z" O. ?/ y
& Y& x! U  A7 ]6 X4 \) x 表4、 某low Dk材料参数
7 |- T2 a" K: y

采用该low Dk的材料后，在线宽线间距不变的情况下，计算的阻抗如下所示。

5mil的线宽，只要微调就能满足50ohm的单端目标阻抗标准。

( A. V* l% b) b: a( P8 T5 l
: ?3 L( M9 t4 Y5 f" _ 4.2/10mil的100欧姆差分线阻抗可以很好的满足100ohm的标准，不需要额外调整。
) _' d* k) ^, m/ w3 I 4.5/8mil的差分线只需要微调阻抗就能满足90ohm的标准。
) m3 t- S4 s7 }8 N$ G
+ ^$ `3 S) q1 }) n( F2 z
) ^$ r& n$ D# Q9 \以上计算可知在要求的线宽条件下，使用low Dk的板材在加工时基本不需要过多的额外调整就可以满足阻抗要求。


根据新的材料，调整叠层如下图2右所示。
" p) ~: v% h/ F7 V. W2 Q/ d3 h
图2.最终调整叠层
, f& g7 o# C; Q

$ W1 M) E; C  x; T上面叠层在之前的基础上指定了玻纤类型，同时由于厚度的限制，该叠层使用了阴阳铜箔的芯板(使用阴阳铜箔的芯板时需要注意交期可控)。Low Dk材料的损耗曲线和原始FR4的损耗对比如下图3和图4所示。
' t4 H8 J% d5 h- g7 l
" q" {& ^( d) i, v2 Z9 y! q 图3.QPI信号评估
) K2 ~/ X" C7 G* @  }1 H- @
4 a+ U  q) u# d" [0 n 图4.PCIe3损耗评估
  r  g2 @# A  y- L& Z/ H
5 j( g( ^/ O9 E5 ^" Z7 P) Y7 R
可知通过不同的板材选择，主要是为了满足阻抗、损耗及板厚等要求，不同的要求可选择的材料也是不一样的，此项目是在不计较成本，需要最快的交期的情况下的一个例子，在条件变化的情况下还有其他的选择，所以本例只是作为一个参考。

  d5 s$ a4 p2 x' B. I2 v
7 R! O6 `, ^/ w/ W

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