PCIe 5.0 Riser Card 線纜方案PCBA設(shè)計(jì)

周敏杰

（安費(fèi)諾電子裝配（廈門）有限公司，福建廈門 361009）

0.引言

在PCIe5.0之前，服務(wù)器內(nèi)部幾乎所有的高速信號(hào)都是采用PCB走線的方式去連接，采用的方式基本就是主板+背板的方式，結(jié)構(gòu)清晰，能夠滿足信號(hào)的要求。但是速率來到PCIe5.0之后，PCB走線的插入損耗大大增加，原因在于基礎(chǔ)頻率又從原來的8GHz（PCIe4.0）直接擴(kuò)大到16GHz，這就使得原本符合PCIe4.0的系統(tǒng)要求，卻再也無法滿足PCIe5.0的要求，急需要解決的問題就是高速通道的信號(hào)插入損耗過大問題。針對(duì)這個(gè)問題，安費(fèi)諾公司提出采用內(nèi)部線纜的方案去實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榫€纜的插入損耗要遠(yuǎn)小于PCB走線，通常情況下，采用線纜方案的插入損耗只有PCB走線的1/5，可以參考圖1。至此，Riser card線纜方案應(yīng)運(yùn)而生，而傳統(tǒng)的Riser card方案是沒有線纜的，同時(shí)高速線纜方案也是幾乎不放置電子元件的，于是這一創(chuàng)新方案必然會(huì)帶來更多的挑戰(zhàn)。

圖1 PCB trace與線纜的插入損耗對(duì)比圖

本文就是基于這2個(gè)方面的融合所產(chǎn)生的問題，對(duì)與線纜有關(guān)的過孔和焊盤而做的總結(jié)，并推薦一個(gè)可行的PCB設(shè)計(jì)方案，為后來的設(shè)計(jì)者提供參考。

1.Riser card線纜結(jié)構(gòu)

Riser card的線纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的內(nèi)部組成為CEM連接器+PCBA+Raw Cable+PCBA+連接器2，其中連接器2可以根據(jù)客戶需求選用不同的方案。

圖2 Riser card線纜圖示

2.Riser card線纜PCBA阻抗設(shè)計(jì)

高速信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要參數(shù)就是阻抗匹配，如果阻抗匹配得好，其他參數(shù)都會(huì)變好，如ILD會(huì)更平穩(wěn)、回波損耗會(huì)更小等。一般而言，Riser card的PCBA阻抗管控的好壞直接決定了這條線纜的性能，而影響Riser card PCBA的阻抗連續(xù)性主要有5個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：

（1）高速連接器本身的阻抗；（2）高速連接器的SMT區(qū)域；（3）PCBA板上走線的區(qū)域；（4）PCBA過孔區(qū)域；（5）PCBA 焊盤區(qū)域。

2.1 Riser Card線纜PCBA過孔設(shè)計(jì)

細(xì)分以上總結(jié)的5大影響阻抗的區(qū)域，連接器本身阻抗以及SMT區(qū)域與PCB設(shè)計(jì)關(guān)系不大，而PCB走線也比較容易管控。傳統(tǒng)的Riser card與線纜方案的Riser card區(qū)別也恰恰在于過孔設(shè)計(jì)和線纜的焊盤設(shè)計(jì)，首先看過孔設(shè)計(jì)。

這里的過孔指的是靠近線纜焊盤的過孔，因容易受到線纜焊接的影響，會(huì)跟以往的設(shè)計(jì)不同。根據(jù)仿真結(jié)果，過孔之間的中心距與中心距的值在0.7mm～0.76mm最佳，過孔的直徑可以選擇10mils或者12mils，而最佳搭配可以參考PCB材料的DK值。過孔的尺寸可以參考圖3。

圖3 過孔及相關(guān)的避空尺寸

如下是采用和不采用推薦的過孔直徑仿真結(jié)果、實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖4（非推薦尺寸）和圖5（優(yōu)化成推薦尺寸）所示。

圖4 采用過孔間距1.06mm的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比

圖5 按照推薦尺寸的仿真結(jié)果

2.2 Riser card PCBA焊盤設(shè)計(jì)

針對(duì)PCBA焊接區(qū)域，要考慮焊線、涂UV膠及內(nèi)模工序會(huì)使該區(qū)域的阻抗下降。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮該區(qū)域焊盤區(qū)域的阻抗線材、UV膠及內(nèi)模綜合因素等。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)和仿真，推薦焊盤尺寸如圖6所示。同時(shí)給出仿真數(shù)據(jù)，采用不同的PCB材料、不同的過孔尺寸所做的一個(gè)結(jié)果對(duì)比，如圖7所示。

圖6 焊線焊盤的推薦尺寸

圖7 經(jīng)過焊線、涂UV膠及內(nèi)模工序后的仿真（已隱藏UV膠和內(nèi)模部分）

以上結(jié)果是基于仿真的結(jié)果，而焊盤區(qū)域的阻抗還與制程密切相關(guān)，如焊點(diǎn)錫量過大，就會(huì)導(dǎo)致阻抗偏低很多。所以對(duì)于PCIe5.0的應(yīng)用，最好推薦DK相對(duì)較低的材料，并結(jié)合焊點(diǎn)較理想制程管控才能得到合格的SI要求。如下實(shí)測(cè)的阻抗曲線圖可供參考，如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)阻抗曲線圖

3.結(jié)語

本文提出通過CST仿真軟件，結(jié)合Riser card線纜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬仿真Riser card PCBA阻抗與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，并推薦出PCIe5.0 Riser card線纜方案的PCBA設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)推薦了高速信號(hào)在焊盤附近的過孔尺寸，以及焊線焊盤的尺寸。參考此方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以大大縮小開發(fā)時(shí)間，因此可以避開傳統(tǒng)Riser card與線纜Riser card的設(shè)計(jì)不同而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)試失敗。線纜Riser card是一種傳統(tǒng)高速線纜與傳統(tǒng)的Riser card的技術(shù)融合。