一種測(cè)試高分子材料Dk值的方法研究

代秀云，何 洪

（四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000）

1 引言

隨著電子通訊技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路的封裝與板上互連，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膸捯笤絹碓礁?。與此同時(shí)，互連通道傳輸?shù)乃俾试絹碓娇?，邏輯門的判決時(shí)間窗口也越來越小。相對(duì)于集成電路的封裝，印制電路板上的傳輸線以及連接器，由于幾何尺寸相對(duì)較大，更容易進(jìn)入“分布參數(shù)模型”，即高速信號(hào)互連通道。PCB互連線、連接器以及布置在上的元件構(gòu)成了電子設(shè)備互連系統(tǒng)的主要組成部分，信號(hào)通過印制板互連線以及連接器擴(kuò)展到其他的印制板上，從而構(gòu)成了整個(gè)背板系統(tǒng)。目前，高速連接器外形尺寸隨信號(hào)密度要求越來越小，所有結(jié)構(gòu)零件都采用精密模具制造，由于零件的尺寸小而精度要求高，模具造價(jià)往往不菲，要求我們?cè)诜桨复_認(rèn)投模時(shí)對(duì)連接器高速指標(biāo)十拿九穩(wěn)，產(chǎn)品前期的研發(fā)階段仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過方案階段SI仿真，確認(rèn)高速連接器方案的插入損耗、回波損耗、模式轉(zhuǎn)化、串?dāng)_和特性阻抗等指標(biāo)滿足使用要求，保證產(chǎn)品更優(yōu)、更快、成本最低的投向市場(chǎng)。

2 材料Dk值對(duì)信號(hào)完整性的影響

特性阻抗是均勻傳輸線上各點(diǎn)的電壓與電流的比值，特性阻抗的值與傳輸線的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要受介電常數(shù)、傳輸線到參考平面之間的距離、線寬、線間距和走線厚度影響。特性阻抗是傳輸線的固有屬性，對(duì)于給定的均勻傳輸線，其特性阻抗是固定的，它是與高速互聯(lián)系統(tǒng)所有傳輸特性指標(biāo)（包括插入損耗、回波損耗、模式轉(zhuǎn)換和串?dāng)_等）相互關(guān)聯(lián)的主要參數(shù)，高速傳輸系統(tǒng)的特性阻抗越接近于系統(tǒng)要求的阻抗值，各項(xiàng)高速指標(biāo)性能更優(yōu)，而信號(hào)反射產(chǎn)生的根本原因在于阻抗的不連續(xù)，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)阶杩共贿B續(xù)的點(diǎn)時(shí)，一部分信號(hào)就會(huì)反射回端源，另一部分信號(hào)則沿著傳輸線繼續(xù)向前傳播，并發(fā)生失真。反射造成的失真是引起信號(hào)完整性問題的主要原因之一，它會(huì)使信號(hào)的質(zhì)量下降，引起信號(hào)的上沖、下沖和振鈴等信號(hào)完整性問題。要改善信號(hào)反射問題，保證互連線阻抗的一致性是改善反射的唯一方法。

高速背板連接器常規(guī)結(jié)構(gòu)中信號(hào)走線的傳輸介質(zhì)一般是空氣或某種固定信號(hào)走線的高分子材料，但高速背板連接器中信號(hào)走線不論在空氣中、高分子材料或混合介質(zhì)中傳輸，都傳輸屬于典型的帶狀線結(jié)構(gòu)，具體見圖1：

圖1 傳輸線類型

3 高分子材料Dk值測(cè)試方法

3.1 測(cè)試工具設(shè)計(jì)

高速背板連接器信號(hào)完整性仿真中，高分子材料的Dk值設(shè)置的準(zhǔn)確性直接影響信號(hào)完整性仿真結(jié)果；而目前材料供應(yīng)商提供的物性表中的Dk值主要通過諧振腔體法測(cè)試得到，一方面測(cè)試頻點(diǎn)少、測(cè)試頻點(diǎn)低，不能與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相匹配，另外一方面，因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景發(fā)生變化，材料供應(yīng)商提供的Dk值并不能直接帶入，通過多次仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)偏差較大。為了提高前期仿真的準(zhǔn)確性，需要有一種符合連接器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的測(cè)試方法來重新定義高分子材料的Dk值。

要提取高分子材料的Dk值，需要設(shè)計(jì)一套專用測(cè)試夾具（見圖2），這套測(cè)試夾具由高頻頭、測(cè)試材料測(cè)試片、金屬底座和傳輸線組成。

圖2 專用測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)示意圖

為保證專用測(cè)試夾具提取的Dk值與實(shí)際使用的一致性，傳輸線上下兩側(cè)被設(shè)計(jì)為被測(cè)試高分子材料用專用模具制作成的特定形狀，以保證傳輸線在夾具結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)與連接器實(shí)際結(jié)構(gòu)的帶狀線類似（見圖3）。

圖3 專用傳輸線結(jié)構(gòu)示意

3.2 專用工具測(cè)試

通過使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)試專用夾具（見圖3）內(nèi)傳輸線阻抗，測(cè)試頻率可自行設(shè)置，得到在這個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)該傳輸線的THRU測(cè)試結(jié)果（見圖4）；

圖4 測(cè)試夾具示意圖

測(cè)試結(jié)果導(dǎo)入PLTS得到該測(cè)試頻點(diǎn)傳輸線的特性阻抗值（見圖5）。

圖5 夾具測(cè)試結(jié)果

4 建立仿真模型回歸驗(yàn)證

接下來將建立該結(jié)構(gòu)仿真模型（見圖6）導(dǎo)入ANSYSElectronics，設(shè)置仿真頻率為之前測(cè)試時(shí)設(shè)置的測(cè)試頻率，仿真得到TDR結(jié)果（見圖7）。

圖6 仿真模型

圖7 仿真模型結(jié)果

對(duì)比專用夾具用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果，通過調(diào)整材料Dk值，仿真結(jié)果和專用夾具測(cè)試結(jié)果趨于一致時(shí)即可提取到該頻點(diǎn)材料Dk值，用這樣的方法，我們可以這個(gè)材料得到多個(gè)頻點(diǎn)的Dk值，這些單個(gè)頻點(diǎn)測(cè)試值在ANSYSElectronics中通過材料設(shè)置Multipole Debye Model模式（圖8）帶入仿真，能得到比單個(gè)頻點(diǎn)更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

圖8 材料Dk值設(shè)置說明

5 材料Dk變化的其他影響因素

目前，高速背板連接器機(jī)構(gòu)中，信號(hào)走線大部分是通過高分子材料作為框架來固定信號(hào)走線，考慮到Dk、Df值及成型薄壁細(xì)小結(jié)構(gòu)需要的高流動(dòng)性，常常采用的是液晶高分子聚合物L(fēng)CP，但這款材料也有一個(gè)我們非常不喜歡的地方，就是材料呈現(xiàn)明顯的各向異性，這個(gè)特性導(dǎo)致該材料的Dk、Df值也會(huì)呈現(xiàn)這樣的變化規(guī)律，見圖9所示。

圖9 LCP多個(gè)牌號(hào)DK、Df流動(dòng)方向與剪切方向?qū)Ρ戎担?GHz）

按照廠家提供的測(cè)試值，在3GHz時(shí)常規(guī)使用的E130i在流動(dòng)方向和剪切方向Dk值差異有0.7，這個(gè)變化值在仿真時(shí)會(huì)帶入一個(gè)非常大的阻抗變化，這在我們后續(xù)56Gbps以上傳輸速率的高速連接器中是完全不可接受的（圖10）。

圖10 Dk值在3.0和3.7仿真TDR結(jié)果對(duì)比

高速背板連接器中模塊組件是信號(hào)走線所在的金屬零件先通過沖壓模具沖壓成型，然后電鍍需要電鍍的區(qū)域，電鍍完成后通過塑封模具將信號(hào)簧片和用來固定的高分子材料結(jié)合起來；塑封時(shí)，模塊組件結(jié)構(gòu)不同、固定走線用高分子材料選用材料牌號(hào)不同、塑封組件澆口位置不同等都會(huì)導(dǎo)致高分子材料整體填充路徑不一樣（見圖11）。

圖11 模塊組件高分子材料填充示意圖

模塊組件填充圖能夠非常清晰的看到模塊組件結(jié)構(gòu)不同位置呈現(xiàn)不同的填充結(jié)構(gòu)，有的位置是流動(dòng)方向，有的位置是剪切方向，但更多的地方是兩者混合結(jié)構(gòu)，針對(duì)這種混合結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。目前，普遍的做法是采用流動(dòng)方向和剪切方向的均值來進(jìn)行仿真，這樣的做法和實(shí)際情況略有偏差但尚在可接受范圍。