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Einführung
Der rasante Fortschritt der künstlichen Intelligenz (KI), Hochleistungsrechnen (HPC), und autonome Fahrtechnologien treiben Router und Switches in Rechenzentren in Richtung 800G- und 1,6T-Verbindungen voran. Folglich, Signalraten ein Leiterplatten übertroffen haben 200 Gbps, Eintritt in die 224G-Ära. Dieser Anstieg der Datengeschwindigkeit erhöht den Stromverbrauch des Systems, was zu Temperaturen führt Verpackungssubstrate und PCB deutlich steigen, In Extremszenarien kann die Temperatur 150 °C überschreiten. Umgebungen mit hohen Temperaturen verändern die Dielektrizitätskonstante erheblich (Dk) und Dissipationsfaktor (Df) von PCB -Materialien, Auswirkungen auf die Impedanz der Übertragungsleitung, Einfügedämpfung, und allgemeine Signalintegrität (UND), Dadurch werden die Gestaltungsspielräume des Systems komprimiert. Basierend auf IPC-Standards und maßgeblichen experimentellen Daten, Dieser Artikel bietet einen detaillierten Einblick in die Auswirkungen der Temperatur auf die Leistung von 224G-PCBs. Es deckt Materialeigenschaften ab, Herstellungsprozesse, und Signalintegritätsanalyse, Bietet wichtige Design-Einblicke für zukünftige 448G-Anwendungen und Hochgeschwindigkeits-PCB-Design.
PCB-Materialeigenschaften und ihr Verhalten bei hohen Temperaturen
PCB-Materialien bilden die Grundlage von Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign, hauptsächlich bestehend aus dielektrischen Substraten und Metallleitern. Für Anwendungen mit 224G und höheren Raten, Die Materialauswahl bestimmt direkt die Signaldämpfung, Verzögerung, und Zuverlässigkeit, Daher ist die Wahl des PCB-Laminats entscheidend für den Erfolg Leiterplatte Entwicklung.
Schlüsselparameter dielektrischer Materialien
Die Leistung eines dielektrischen Materials wird durch seine Dielektrizitätskonstante definiert (Dk) und Dissipationsfaktor (Df). Gemäß dem IPC-4101C-Standard, Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen werden Materialien mit extrem geringem Verlust empfohlen, normalerweise mit einem Dk unten versehen 3.5 und ein Df kleiner als 0.002. Zum Beispiel, Polytetrafluorethylen (Ptfe) und mit Keramik gefüllte Materialien können einen stabilen Dk-Wert von 3,2 ± 0,05 at aufweisen 56 GHz, mit einem Df so niedrig wie 0.0005 (Quelle: IPC-4103). Jedoch, Steigende Temperaturen verstärken die molekulare Polarisierung, Dies führt zu einer Drift der Dk- und Df-Werte. Experimente zeigen dies, wenn die Temperatur von 25 °C auf 150 °C steigt, das Dk von common FR-4-Material kann um steigen 5%-10%, während der Df vorbei steigen kann 15%-20%, was den Einfügungsverlust erheblich verschlimmert.
Die Herausforderung des Glasgewebeeffekts
Glasfasertuch, Wird als Verstärkung in Leiterplatten verwendet, kann dazu führen, dass “Glasgewebeeffekt” aufgrund der Inhomogenität seiner mikroskopischen Struktur, Dies führt zu lokalisierten Dk- und Df-Variationen. Gemäß IPC-TM-650-Testmethoden, Dieser Effekt kann einen differentiellen Paarversatz von bis zu induzieren 1 PS/Zoll, Dies reicht aus, um bei der 224G-PAM-4-Signalisierung das Schließen des Augendiagramms zu bewirken. Um dieses Problem zu mildern, Designer können eine 10-Grad-Winkelführung verwenden oder verteilte Glasgewebe verwenden, Kontrolle der Neigung nach innen 0.5 PS/Zoll.
Einfluss der Rauheit der Kupferfolie auf den Leiterverlust
Der Beitrag der Leiterdämpfung zur gesamten Einfügungsdämpfung nimmt mit der Frequenz zu. Am 56 GHz-Nyquist-Frequenz für 224G-Systeme, Die Oberflächenrauheit der Kupferfolie wird zu einem entscheidenden Faktor, der die Leistung der Leiterplatte und die Zuverlässigkeit der Leiterplattenberechnung beeinflusst.
Kupferfolientypen und Rauheitsmodelle
Gemäß IPC-4562-Standard, Kupferfolien werden in Typen wie Hochtemperaturdehnung eingeteilt (HTE), Umgekehrt behandelte Folie (RTF), und Hyper Very Low Profile (HVLP). Ihre Rauheit, gemessen als Rz, sinkt von ca 2.31 μm für HTE nach unten 0.6 μm für HVLP-Typen. Experimentelle Daten mit HVLP4-Folie, gemessen mittels Rasterelektronenmikroskop (WELCHE), zeigte einen Rz von 0.901 μm. Zu den gängigen Modellierungsansätzen für die Kupferrauheit gehören die Hammerstad- und Huray-Modelle. Das Huray-Modell weist oben eine hohe Genauigkeit auf 50 GHz; seine Formel wird dargestellt als:
R_eff = R_0 (1 + (2/π) arctan(1.4 Δ/δ )² )
Wo R_0 ist der glatte Kupferwiderstand, δ ist die Hauttiefe, Und Δ ist der Rauheitsparameter.
Wechselwirkung von Hauteffekt und hoher Temperatur
Hohe Temperaturen verstärken den Skin-Effekt, den Leiterverlust weiter erhöhen. Bei 150°C, der spezifische Widerstand von Kupfer erhöht sich um ca 40%, Dies führt zu einem zusätzlichen Einfügungsverlust von ca 0.5 DB/Zoll. daher, für 224G PCB-Design, Es wird empfohlen, Kupferfolie mit extrem geringer Rauheit und Rz zu wählen < 0.8 μm und integrieren effektive Wärmemanagementstrategien in das PCBA-Design.
Einfluss von Leiterplattenherstellungsprozessen auf die Signalintegrität
Wichtige Schritte in der Leiterplattenherstellung Arbeitsablauf, wie z.B. Oxidbehandlung (Bräunung), Laminierung, und Oberflächenbeschaffenheit, kann zu Impedanzabweichungen und Verlusten führen. Diese Effekte sind in Umgebungen mit hohen Temperaturen stärker ausgeprägt, Auswirkungen auf die endgültige PCBA-Leistung.
Analyse kritischer Prozessschritte
Die Bebilderung der Innenschicht und die Oxidbehandlung wirken sich direkt auf die endgültige Rauheit der Kupferfolie aus. Experimentelle Daten deuten darauf hin, dass die Verwendung einer ätzarmen Oxidbehandlung die Rauheit reduzieren kann 1.5 μm zu 1.1 μm, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Haftung zum Prepreg (Pp) entspricht dem Schälfestigkeitsstandard IPC-TM-650 (≥8 lb/in). Die Ausrichtungstoleranz beim Laminieren und Bohren sollte innerhalb von ±25 μm liegen, um Impedanzfehlanpassungen aufgrund von Via-Stubs zu vermeiden. Gemäß IPC-6012E, jeder 10 Eine mil-Zunahme der Via-Stub-Länge kann zu a führen 0.2 dB-Anstieg der Einfügedämpfung bei 56 GHz.
Auswahl der Oberflächenbeschaffenheit der Leiterplatte
Die Oberflächenveredelungsschicht hat erheblichen Einfluss auf die Leistung des Mikrostreifens. Elektrololes Nickel Elektrololless Palladium Immersion Gold (Enepic), aufgrund der geringen Leitfähigkeit seiner Nickelschicht (1.43×10⁶ S/m), Exponate ca 15% höhere Einfügedämpfung bei 56 GHz im Vergleich zum organischen Lötschutzmittel (OSP). Für Hochgeschwindigkeitsplatine und PCBA-Anwendungen, OSP oder Immersionssilber werden empfohlen, da ihre Leitfähigkeit eher der von Kupfer ähnelt (5.8×10⁷ S/m), Minimierung zusätzlicher Verluste.
Umfassender Einfluss der Temperatur auf die Signalintegrität
Unterschiedliche Temperaturbedingungen verändern gleichzeitig die dielektrischen Eigenschaften, Leistung des Dirigenten, und Fertigungstoleranzen. Ihre kombinierte Wirkung auf Schlüsselkennzahlen wie Augendiagramme und Channel Operating Margin (COM) müssen durch Modellierung und Messung bewertet werden.
Parameterextraktion und Modellierung
Basierend auf der IPC D24A-Testmethode, S-Parameter wurden über einen Temperaturbereich von 25 °C bis 150 °C gemessen, aus denen Dk- und Df-Werte extrahiert wurden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Temperatur bei jedem Temperaturanstieg um 50 °C ansteigt, Dk steigt im Durchschnitt um 0.1, und Df erhöht sich um 0.0003. Verwendung der ADS-Software zur Anpassung an das Huray-Modell, Die simulierte Änderung der Einfügungsdämpfung zeigte weniger als 3% Fehler im Vergleich zu gemessenen Daten.
Augendiagramm und Kanalbetriebsmarge (COM) Analyse
Simulation eines 224G PAM-4-Signals bei 56 GHz in Bezug auf den IEEE 802.3dj-Standard zeigt erhebliche Leistungseinbußen. Wenn die Temperatur von 25°C auf 150°C steigt, Die Augenhöhe verringert sich um 40%, Die Augenweite schrumpft um 25%, und die COM-Marge wird um reduziert 35%. Einsatz extrem verlustarmer Materialien (Df < 0.001) kann den temperaturbedingten Abbau im Inneren unterdrücken 15%, Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit für anspruchsvolle PCBA-Anwendungen.
Experimentelle Validierung und Designempfehlungen
Vergleichstests an mehreren Platinen bestätigten die Wirksamkeit von Material- und Prozessoptimierungen. In einer Umgebung mit 150 °C, Leiterplatten, die HVLP-Kupferfolie und PTFE-Material verwenden, zeigten a 50% höhere COM-Marge im Vergleich zu Standard-FR-4-Designs. Für 224G+-Produkte und PCBA-Entwicklung, Die folgenden Empfehlungen sind von entscheidender Bedeutung:
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Wählen Sie dielektrische Materialien mit Dk aus < 3.5 und Df < 0.002, und überprüfen Sie ihre Temperaturkoeffizienten.
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Kontrollieren Sie die Rauheit der Kupferfolie auf Rz < 0.8 μm, Priorisierung der Verwendung des Huray-Modells für Simulationen.
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Fertigungsprozesse optimieren, wie die Implementierung einer ätzarmen Oxidbehandlung und einer präzisen Registrierung, zur Kontrolle der Impedanzabweichung innerhalb von ±5 %.
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Arbeiten Sie mit einem professionellen PCB- und PCBA-Hersteller um maßgeschneiderte Lösungen und Echtzeit-Angebote zu erhalten, Sicherstellung von Produktionskonsistenz und hoher Ausbeute.
Abschluss
Die Temperatur ist eine kritische Variable für die Signalintegrität in 224G-Leiterplatten. Durch Materialwissenschaft, Prozessoptimierung, und genaue Modellierung, Der durch hohe Temperaturen verursachte Leistungsabfall kann wirksam abgemildert werden. Zukünftige 448G-Systeme erfordern eine weitere Reduzierung der Temperaturempfindlichkeit von Dk/Df und die Integration eines robusten Wärmemanagementdesigns. Kontaktieren Sie einen führenden PCB- und PCBA-Lieferant Jetzt können Sie auf hochzuverlässige Designlösungen zugreifen, die auf IPC-Standards basieren, Legen Sie eine solide Grundlage für Ihre Rechenzentrumsinfrastruktur der nächsten Generation.
