高速板材实际应用案例

caroline11

上期的文章讲了高速板材的使用注意事项，本期通过一个案例来分享其中的一种板材选择的情况。

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：

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：
-0.8dB/inch@4GHz,-1.6dB/inch@8GHz
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;
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;

表1、阻抗及线宽要求

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

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。

Thin core Standard Construction List

表2、 core参数

Prepreg Standard Construction List

表3、 PP参数

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。

5mil线宽的50欧姆单端阻抗计算如下。

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。

4.2/10mil的100欧姆差分阻抗计算如下。

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。

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。

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。

Thin core Standard Construction List

PrepregStandard Construction List

表4、 某low Dk材料参数

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。

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。

4.5/8mil的差分线只需要微调阻抗就能满足90ohm的标准。

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。

图2.最终调整叠层

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。

图3.QPI信号评估

图4.PCIe3损耗评估

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。