PCB信號完整性探討

1、Page1PCB信號完整性技術探討信號完整性技術探討Page21、信號完整性基礎2、信號完整性測量技術3、PCB制造與信號完整性Page3 目目 錄錄1、信號完整性基礎1.1 信號完整性1.2 高速信號和傳輸線1.3 反射1.4 阻抗1.5 介電常數(shù)（Dk）和介質損耗因子（Df）1.6 插入損耗的概念Page4 信號完整性（Signal Integrity, SI）包含由于信號傳輸速率加快而產生的互連、電源、器件等引起的所有信號質量及延時等問題。1.1 信號完整性信號完整性基礎信號完整性基礎1Page5信號完整性基礎信號完整性基礎1 對于高速產品，并沒有明確定義，一般認為對損耗有特定要求的產品

2、為高速產品。1.2 高速信號和傳輸線microstripstripline傳輸線模型時鐘頻率超過100MHz、數(shù)字信號上升時間小于1ns時，長度超過1inch（2.54cm）的互連線表現(xiàn)出傳輸線特性；其特征為：線路向周圍環(huán)境輻射能量，介質中的粒子（圖中圓圈表示）也會振動吸收能量，產生時延和衰減等?；緜鬏斁€種類Page6信號完整性基礎信號完整性基礎1 目前幾乎所有高速存儲器、服務器、路由器以及很多消費電子產品都具有高傳輸速率的特性，PCB產業(yè)也已邁進高速的方向。1.2 高速信號和傳輸線USB2.0(480Mbps)交換機交換機(1Gbps)基站基站(2.3Gbps)IEEE 1394(B)接口

3、接口（3.2Gbps）光模塊產品光模塊產品（6.25Gbps）高性能光模塊高性能光模塊（25Gbps）一些高速電子產品和設備及其傳輸速率一些高速電子產品和設備及其傳輸速率Page7 信號傳輸時，每時每刻都會感受到一個瞬態(tài)阻抗，當這個阻抗不連續(xù)時就會將信號的一部分反射回信號源端；Rs1Rs2Rs1Rs21信號完整性基礎信號完整性基礎1.3 反射Rs1Rs2VfIfViIiVtItPage8信號完整性基礎信號完整性基礎11.4 阻抗 低頻或直流情況下阻抗基本等于導體的電阻； 高速或高頻情況下，主要受趨膚效應影響，信號在導體中傳輸感受到的阻抗將遠大于導體在直流情況下的電阻。圓形導體和方形導體的趨膚效

4、應（紅色圓形導體和方形導體的趨膚效應（紅色表示電流密度最大，藍色表示最?。┍硎倦娏髅芏茸畲?，藍色表示最?。㏄age9信號完整性基礎信號完整性基礎11.4 阻抗趨膚深度： ：趨膚深度：趨膚深度 ： 磁導率磁導率 ：電導率：電導率f f： 頻率頻率對于純銅導線： =4=4 1010-7-7 H/m H/m =5.8=5.8 10107 7 S/m S/m則在1GHz頻率下： 銅銅=2.1um=2.1um即信號的傳導僅僅在銅線的表面進行。Page10信號完整性基礎信號完整性基礎11.4 阻抗均勻導體直流電阻計算公式： ：電阻率：電阻率l l： 導體長度導體長度S S： 導體橫截面積導體橫截面積R R

5、（ACAC）：高頻下的交流阻抗：高頻下的交流阻抗f f： 工作頻率工作頻率f f0 0：產生明顯趨膚效應的臨界頻率：產生明顯趨膚效應的臨界頻率R R：該臨界頻率下的阻抗：該臨界頻率下的阻抗均勻導體高頻阻抗計算公式：交流電阻隨頻率變化關系交流電阻隨頻率變化關系Page11寄生電容：12141. 1DDTDCr寄生電感：14ln08. 5dhhLD1: 焊盤直徑D2: 反焊盤直徑H: 過孔長度d: 過孔孔徑信號完整性基礎信號完整性基礎11.4 阻抗：過孔阻抗Page12信號完整性基礎信號完整性基礎11.5 介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）介電常數(shù)（Dk）準確講應該稱為相對介電常數(shù)。干燥空氣的實際

6、介電常數(shù)0，數(shù)值為8.85pF/m，為方便起見，把這個值設為1pF/m，從而得到其他介質的相對介電常數(shù)值（Relative Permittivity），即我們現(xiàn)在常用的介電常數(shù)（dielectric constant）。從信號傳輸品質的角度來看，介電常數(shù)的含義可以理解為介質對電荷的吸附能力，介電常數(shù)越大，其對信號的吸附能力越強，可供使用的信號余量便越小。介電能力即相當于容電能力。介電能力對比（左）和線路傳輸模型（右）介電能力對比（左）和線路傳輸模型（右）Page13信號完整性基礎信號完整性基礎11.5 介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）損耗因子（Df）即為散失因子（dissipation fa

7、ctor），表示信號傳輸時在介質中損失掉的能量（loss），將這個損失掉的能量與未損失的能量（stored）對比時，即得到Df。介質損耗因子與頻率的相關性介質損耗因子與頻率的相關性Page14 插入損耗（簡稱插損，數(shù)學描述為S21，或insertion loss）：在二端口網(wǎng)絡中，S21定義為從端口2出來的正弦波和從端口1進入的正弦波的比值。信號完整性基礎信號完整性基礎11.6 插入損耗的概念端口一端口二入射信號反射信號接收信號簡單二端口網(wǎng)絡示意圖相位差幅度Page15信號完整性基礎信號完整性基礎11.6 插入損耗的概念插入損耗插入損耗導體熱導體熱消耗消耗反射反射介質損介質損耗耗趨膚效趨膚效應

8、應耦合、耦合、串擾串擾輻射輻射介介質質中粒子中粒子振振動導動導致致阻抗不阻抗不連續(xù)連續(xù)導線發(fā)熱導線發(fā)熱能量向能量向環(huán)環(huán)境境中中發(fā)發(fā)射射與與鄰鄰近近傳輸傳輸線線干干擾擾作用作用增加增加導導體阻體阻抗消耗能量抗消耗能量Page16 無損傳輸線是不存在的，通路上的每一個節(jié)點都會造成損耗，損耗受控是一個真正的挑戰(zhàn)。右圖為傳輸線中主要插入損耗來源于傳輸?shù)男盘栴l率之間關系示意圖信號完整性基礎信號完整性基礎11.6 插入損耗的概念Page17損耗和傳輸線長度的關系信號完整性基礎信號完整性基礎11.6 插入損耗的概念Page18 目目 錄錄2、信號完整性測量技術2.1 阻抗測試2.2 VNA測試2.3 SET

9、2DIL測試2.4 Dk/Df測試Page192.1 阻抗測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2 阻抗測試主要應用TDR（Time Domain Reflector，時域反射計）的方法，TDR 使用階躍信號發(fā)生儀和示波器，在被測得傳輸線上發(fā)送一個快速的上升沿，再特定的點上用示波器觀察反射電壓波形。這種技術可以測出傳輸顯得特性阻抗，并顯示出每個阻抗不連續(xù)點的位置和特性（阻抗、感抗和容抗）。階躍信號測試電纜被測物體TDR測試原理 由于TDR產生的信號幅度、測試電纜阻抗、儀器輸出阻抗確定，因此根據(jù)TDR設備接收到的反射信號幅度和時間軸數(shù)據(jù)，很容易計算出不連續(xù)阻抗的數(shù)值。Page202.1 阻抗測

10、試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2 利用TDR技術，所有這些信息都是在示波器上實時顯示。相對于其他技術，TDR 能夠給出更多的關于系統(tǒng)寬帶相應的信息。 如下圖所示，沿著時間軸的每一點都對應著被測線上的不同位置阻抗值。線寬變化導致阻抗變化的TDR測試曲線Page212.1 阻抗測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2 PCB阻抗測試時選擇合適的阻抗線長度是十分必要的，根據(jù)經(jīng)驗，在阻抗線長度超過6inch，且線路損耗較大時，阻抗線后端的阻抗值將有明顯上升趨勢。11inch單端阻抗線TDR曲線57ohm50ohmPage222.1 阻抗測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2 阻抗的不規(guī)則

11、波動是由于線路和介質加工質量引起的； 而阻抗的上升趨勢主要是由于長線傳輸線損耗的不可忽略造成的。華為長線阻抗的標準測量方法取值區(qū)間阻抗線Page232.2 VNA測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2VNA（Vector Network Analyzer， 矢量網(wǎng)絡分析儀）的信號源在測試時產生一個連續(xù)掃頻的正弦波，以此激勵被測物（DUT，device under test），之后測量DUT的反射信號和傳輸信號。VNA把被測物（無論是一條線、一個面或信號網(wǎng)絡）當做二端口網(wǎng)絡，由于其激勵信號是掃頻信號，在每一個頻點均可得到被測端口的頻率響應，VNA通過分析這些激勵信號和響應信號，計算出被測端口

12、S參數(shù)，再通過這些參數(shù)得到我們需要的量化參數(shù)值。掃頻信號掃頻信號測試原理：Page242.2 VNA測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2對于一個測試頻率范圍為20GHz的VNA，可以測試被測物從0到20GHz中間任何頻率點上的響應特性。S11：反映端口阻抗特性：反映端口阻抗特性S21：反映端口插損特性：反映端口插損特性信號相位特性信號相位特性信號延時特性信號延時特性VNA中可觀測到的端口特性中可觀測到的端口特性Page252.2 VNA測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2TRL校準： VNA的精確測量是基于精確而復雜的校準基礎上的。由于電纜、探頭、SMA頭、設備本身的誤差，VNA系

13、統(tǒng)校準十分必要，常用的有機械校準和電子校準； 另外，實際測試中過孔對于損耗測量結果有十分明顯的影響，因此需進一步去除掉過孔的影響，而產生了LRM、TRL、SOLT等去嵌（de-embed）校準方式。TRL校準件設計工具Page262.2 VNA測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2TRL校準理念在于，將線路的兩段各取一部分作為中間剩余部分線路測量的探針。表示將被校準掉的線路校準完成后其延時和損耗均為0表示被當做探針的長度用于校準不同頻率范圍用于校準直流被測線路注意各圖形長度對應關系TRL校準圖形校準圖形Page27Single End Trace To drive DIfferential

14、 Loss,利用單端線路測量差分損耗的方法。2.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2目的：簡化測量，從而使傳統(tǒng)的差分四端口測試變?yōu)楹唵蔚膯味藴y試，并將此測試方法用于批量板的監(jiān)控。傳統(tǒng)差分測試需要四傳統(tǒng)差分測試需要四個端口同時測量個端口同時測量Page282.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2理論上，損耗屬于頻域范疇，具有很強的頻率相關性。此處涉及兩個重要概念：假設近似和線路完全對稱；按SDD21（插損）=0.5*（S21-S23-S41+S43），在差分對完全對稱時，INTEL算法假定： S21=S43 S23=S41于是SDD21=S21-S

15、41INTEL的算法可以通過測量時域的信號響應參數(shù)，再通過傅里葉變換轉化成頻域數(shù)值，最終得到插損測量值。從而相當于： TDD21=T21-T41于是，按此等式，只需測試T21和T41即可計算出SDD21，即插入損耗值。T21T41Page292.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2理論上，損耗屬于頻域范疇，具有很強的頻率相關性。此處涉及兩個重要概念：按按INTEL算法所推導出的差分信號線時域參數(shù)測量方法算法所推導出的差分信號線時域參數(shù)測量方法THRUPage302.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術2測試精度評價：與VNA相比還存在一定差距。隨著

16、頻率升高，精度不斷下降。12GHz2.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術信號完整性測量技術22.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術信號完整性測量技術2方式方式VNA測試PCB兩段長度差為10inch的信號線的S參數(shù)，利用ADS仿真軟件分析提取其中的DkDf信息設備和軟件設備和軟件E5071C網(wǎng)分儀、ADS DkDf提取模塊測試測試coupon設計不同膠含量、玻纖類型等結構，差分/單端帶狀線驗證驗證用仿真提取的DkDf建模，對比阻抗和損耗的測試和仿真結果選材，設計PCB工程文件制作樣品VNA測試S參數(shù)提取Dk/Df通過仿真驗證Dk/DfDk/Df提取基本流程提取基本流程TRL校準模校準模

17、塊塊DkDf提取模提取模塊塊P片片類類型型1P片片類類型型2P片片類類型型3P片片類類型型42.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術信號完整性測量技術22.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術信號完整性測量技術2軟件操作界面軟件操作界面Page35 目目 錄錄3、PCB制造與信號完整性2.1 材料2.2 工藝2.3 PCB設計Page363隨著信號頻率的增加，PCB基材介質和導線都會吸收能量，造成信號完整性問題。除此之外，PCB加工過程中對材料的處理也會引入信號完整性問題。Stub lengthPCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page373.1 材料樹脂體系和loss tangent之間

18、的關系 3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性樹脂：Page38普通樹脂和低損耗樹脂對SI的影響3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page39Insertion loss at 4GHz(unit: dB/inch)MaterialIMNTMAX0.42 0.48 0.50 0.46 MIN0.35 0.36 0.37 0.41 AVE0.38 0.41 0.40 0.43 普通樹脂和低損耗樹脂對SI的影響3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性低損耗低損耗FabricNE glass (Dk 4.6)Standard E Glass Dk 6.6玻纖Page403PCB制造與信號完整

19、性制造與信號完整性Page41materialAdvantage modified materialglass stylestandard glassspread glasslow Dk glassprepreg style in stack-up1080 RC65%2116 RC55%2113 RC57%1086 RC61%1067 RC70%1086 RC64%1080 RC65%106 RC73%1080 RC68%Insertion loss at 4GHz( unit: dB/inch)Glass styleSTDSpreadLDKMAX0.610.610.58MIN0.510.52

20、0.47AVE0.56 0.55 0.52 標準、開纖、低loss玻纖對SI的影響比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page42STDLDK標準、低loss玻纖對SI的影響比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page43銅箔高速信號下，受趨膚效應/深度的影響，銅牙長度直接關系到信號傳輸質量：3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page440.5dB insertion loss improvement observed at 15GHzUp to 1dB insertion loss improvement in 8inch trace for VLP at 15GHzR

21、TF、VLP銅箔對SI的影響比較RTFVLP3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page45圖為三井新型銅箔與傳統(tǒng)VLP對SI的影響改善比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page463.1 設計3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性選材和疊構：客戶不僅指定PP類型，同時指定芯板配本對此種情況，嚴格按客戶要求制作，不能隨意更改。Page47在客戶未指定材料的情況下，可按客戶損耗要求提供建議。不同材料的參考插入損耗-SET2DIL測試方法materialscopper standard configurationinsertion loss at 4GHZ/dB/inchinser

22、tion loss at 8GHZ/dB/inchMINMAXAVERAGEMINMAXAVERAGES1165RTF0.580.770.671.0771.4931.285TU862HFRTF0.570.820.691.0761.4171.246EM370DRTF0.620.670.651.1031.2811.192I-TeraVLP0.360.480.420.650.970.79N6800-22SIVLP0.380.510.450.720.980.85Megtron-6VLP0.410.490.460.751.050.9IT150DAVLP0.490.540.520.790.8720.831

23、TU872SLK-sp VLP0.430.510.470.791.030.9IS415SIRTF0.470.520.50.8880.9790.934I-speedRTF0.530.590.561.041.291.17N4800-20RTF0.5140.550.520.9051.0610.983Megtron-4RTF0.480.570.520.961.121.044PCB制造與信號完整性制造與信號完整性-工程設計工程設計Page48Anti-pad大小對SI的影響比較-插損（建模仿真）內外層孔環(huán): 盡量依照客戶原稿制作，設計過大可能導致不同層孔環(huán)間產生容性阻抗導致過孔位置阻抗突變，從而加重反射

24、，影響信號完整性。3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page49反焊盤從下到上依次為18mil、20mil、22mil、24mil、26mil高速信號PCB的設計：盡量設計較大的anti-pad，以減少銅皮對過孔的干擾。值得注意的是：有時客戶不允許PCB供應商修改原稿設計。Anti-pad大小對SI的影響比較-插損（建模仿真）anti-pad: 3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page50Anti-pad問題實際案例：某生產板由于工程設計時，anti-pad掏銅過多，導致BGA個別位置沒有參考層，從而信號返回路徑被切斷而產生信號完整性問題：左圖為工程設計的anti-pad，相鄰層

25、有信號線經(jīng)過。右圖為實際板，銅橋已蝕刻斷，造成左圖綠色信號線無參考層。3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page51移線（或孔）:對于阻抗線和不清楚功能的線路要格外注意不可私自移動；當遇到單邊補償情況時，需要有工藝數(shù)據(jù)支持，保證蝕刻后線路中心位置不變。移線處理客戶端測試結果顯示，第1）種設計比第2）種多衰減0.52dB減小補償處理3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page523PCB制造與信號完整性制造與信號完整性3.3 工藝項目在不同工作速率下的影響度3.125 Gbs6.25 Gbs12.5 Gbs18.75 Gbs25 Gbs背鉆殘樁xxxxxxxxxxxxxxxxx線寬(中

26、值)xxxxxxxxxxxxxxx線寬(公差) xxxxxxxx線距公差(蝕刻精度)xxxxxxxx線長度公差xxxxxxxxxx線路形狀xxxxxx損耗因子(Df)xxxxxxxxxx導體損耗xxxxxxxxxxxx層間對位精度xxxxxx孔位精度xPage53PCB前處理等銅面粗化方式很大程度會使銅面粗糙度增加，目前已有非微蝕方式的超粗化技術，很好的保留了低粗糙度銅箔的特性，起到了改善信號完整性的作用。棕化：粗糙度約0.6um無微蝕粗化：粗糙度小于0.1um10GHz下neap技術改善損耗約5dB/m銅面粗化方式：3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性3.3 工藝Page54控制項目控制標準內層線寬 (d)d4mil時, 公差按+