Introduction
Les progrès rapides de l’intelligence artificielle (IA), calcul haute performance (HPC), et les technologies de conduite autonome poussent les routeurs et les commutateurs des centres de données vers des interconnexions 800G et 1,6T.. Par conséquent, taux de signal sur PCB avoir dépassé 200 Gbit/s, entrer dans l’ère 224G. Cette augmentation de la vitesse des données augmente la consommation électrique du système, provoquant des températures sur substrats d'emballage et les PCB en hausse significative, dépassant potentiellement 150°C dans des scénarios extrêmes. Les environnements à haute température modifient considérablement la constante diélectrique (Ne sait pas) et facteur de dissipation (Df) de MATÉRIAUX PCB, impactant l'impédance de la ligne de transmission, perte d'insertion, et l'intégrité globale du signal (ET), compressant ainsi les marges de conception du système. Basé sur les normes IPC et des données expérimentales faisant autorité, cet article fournit une analyse approfondie des effets de la température sur les performances du PCB 224G. Il couvre les propriétés des matériaux, procédés de fabrication, et analyse de l'intégrité du signal, offrant des informations de conception critiques pour les futures applications 448G et Conception de PCB à grande vitesse.
Propriétés des matériaux PCB et leur comportement à haute température
Les matériaux PCB constituent la base de conception de circuits à grande vitesse, comprenant principalement des substrats diélectriques et des conducteurs métalliques. Pour les applications 224G et supérieures, la sélection du matériau détermine directement l'atténuation du signal, retard, et fiabilité, ce qui rend le choix du stratifié PCB essentiel pour réussir PCB développement.
Paramètres clés des matériaux diélectriques
La performance du matériau diélectrique est définie par sa constante diélectrique (Ne sait pas) et facteur de dissipation (Df). Selon la norme IPC-4101C, les matériaux à très faibles pertes sont recommandés pour les applications à grande vitesse, comportant généralement un Dk ci-dessous 3.5 et un Df inférieur à 0.002. Par exemple, Polytétrafluoroéthylène (PTFE) et les matériaux chargés de céramique peuvent présenter un Dk stable de 3,2 ± 0,05 à 56 GHz, avec un Df aussi bas que 0.0005 (Source: CIB-4103). Cependant, la hausse des températures intensifie la polarisation moléculaire, conduisant à une dérive des valeurs Dk et Df. Les expériences montrent que lorsque la température augmente de 25°C à 150°C, le Dk du commun Matériau FR-4 peut augmenter de 5%-10%, tandis que le Df peut augmenter de 15%-20%, exacerbant considérablement la perte d’insertion.
Le défi de l’effet de tissage du verre
Tissu en fibre de verre, utilisé comme renfort dans les PCB, can cause the “glass weave effect” due to the inhomogeneity of its microscopic structure, conduisant à des variations localisées de Dk et Df. Selon les méthodes de test IPC-TM-650, cet effet peut induire un biais différentiel de paire allant jusqu'à 1 PS / pouce, ce qui est suffisant pour provoquer la fermeture du diagramme oculaire dans la signalisation 224G PAM-4. Pour atténuer ce problème, les concepteurs peuvent utiliser un routage à un angle de 10 degrés ou utiliser des tissus de verre étalés, contrôler l'inclinaison vers l'intérieur 0.5 PS / pouce.
Impact de la rugosité de la feuille de cuivre sur la perte de conducteur
La contribution de la perte de conducteur à la perte d'insertion totale augmente avec la fréquence. Au 56 Fréquence Nyquist GHz pour les systèmes 224G, la rugosité de la surface de la feuille de cuivre devient un facteur critique influençant les performances des PCB et la fiabilité des PCBA.
Types de feuilles de cuivre et modèles de rugosité
Selon la norme IPC-4562, les feuilles de cuivre sont classées en types comme l'allongement à haute température (HTE), Feuille traitée inversement (RTF), et profil hyper très bas (HVLP). Leur rugosité, mesuré en Rz, diminue d’environ 2.31 μm pour HTE jusqu'en dessous 0.6 μm pour les types HVLP. Données expérimentales utilisant une feuille HVLP4, mesuré au microscope électronique à balayage (LEQUEL), a montré un Rz de 0.901 µm. Les approches de modélisation courantes pour la rugosité du cuivre incluent les modèles Hammerstad et Huray.. Le modèle Huray maintient une grande précision au-dessus 50 GHz; sa formule est représentée par:
R_eff = R_0 (1 + (2/π) arctan(1.4 Δ/δ )² )
Où R_0 est la résistance du cuivre lisse, δ est la profondeur de la peau, et Δ est le paramètre de rugosité.
Interaction de l'effet cutané et de la température élevée
Les températures élevées exacerbent l'effet cutané, perte de conducteur encore croissante. À 150°C, la résistivité du cuivre augmente d'environ 40%, conduisant à une perte d'insertion supplémentaire d'environ 0.5 db / pouce. Donc, pour la conception de circuits imprimés 224G, il est conseillé de sélectionner une feuille de cuivre à très faible rugosité avec Rz < 0.8 μm et intégrer des stratégies de gestion thermique efficaces dans la conception du PCBA.
Influence des processus de fabrication de PCB sur l'intégrité du signal
Les étapes clés du Fabrication de PCB flux de travail, comme le traitement à l'oxyde (brunissement), laminage, et finition de surface, peut introduire des écarts d'impédance et des pertes. Ces effets sont plus prononcés dans les environnements à haute température, impactant les performances finales du PCBA.
Analyse des étapes critiques du processus
L'imagerie de la couche interne et le traitement à l'oxyde affectent directement la rugosité finale de la feuille de cuivre.. Les données expérimentales indiquent que l'utilisation d'un traitement à l'oxyde à faible attaque peut réduire la rugosité de 1.5 μm à 1.1 µm, tout en assurant simultanément l'adhésion au préimprégné (Pp) répond à la norme de résistance au pelage IPC-TM-650 (≥8 lb/po). La tolérance d'enregistrement pendant le laminage et le perçage doit être contrôlée à ± 25 μm pour éviter toute inadéquation d'impédance causée par les vias.. Selon IPC-6012E, chaque 10 mil augmentation de la longueur du via stub peut conduire à un 0.2 Augmentation de dB de la perte d'insertion à 56 GHz.
Sélection de la finition de surface du PCB
La couche de finition de surface a un impact significatif sur les performances des microrubans. Nickel électrolaire à l'immersion du palladium électrolaire (Énipique), en raison de la faible conductivité de sa couche de nickel (1.43×10⁶ S/m), expose environ 15% perte d'insertion plus élevée à 56 GHz par rapport au conservateur de soudabilité organique (OSP). Pour circuit imprimé à grande vitesse et applications PCBA, OSP ou Immersion Silver sont recommandés, car leur conductivité est plus proche de celle du cuivre (5.8×10⁷ S/m), minimiser les pertes supplémentaires.
Impact global de la température sur l'intégrité du signal
Des conditions de température variables modifient simultanément les propriétés diélectriques, performance du conducteur, et tolérances de fabrication. Leur effet combiné sur des indicateurs clés tels que les diagrammes oculaires et la marge opérationnelle du canal (COM) doit être évalué par la modélisation et la mesure.
Extraction et modélisation de paramètres
Basé sur la méthode de test IPC D24A, Les paramètres S ont été mesurés sur une plage de températures de 25°C à 150°C, à partir duquel les valeurs Dk et Df ont été extraites. Les résultats indiquent que pour chaque augmentation de température de 50°C, Dk augmente en moyenne de 0.1, et Df augmente de 0.0003. Utilisation du logiciel ADS pour adapter le modèle Huray, le changement de perte d'insertion simulé a montré moins de 3% erreur par rapport aux données mesurées.
Diagramme de l'œil et marge d'exploitation du canal (COM) Analyse
Simulation d'un signal PAM-4 224G à 56 GHz en référence à la norme IEEE 802.3dj révèle une dégradation significative des performances. Lorsque la température passe de 25°C à 150°C, la hauteur des yeux diminue de 40%, la largeur des yeux diminue de 25%, et la marge COM est réduite de 35%. Utilisation de matériaux à très faibles pertes (Df < 0.001) peut supprimer la dégradation induite par la température jusqu'à l'intérieur 15%, assurer la fiabilité du système pour les applications PCBA exigeantes.
Recommandations de validation expérimentale et de conception
Des tests comparatifs sur plusieurs cartes ont validé l'efficacité des optimisations des matériaux et des processus. Dans un environnement à 150°C, Les PCB utilisant une feuille de cuivre HVLP et un matériau PTFE ont démontré un 50% Marge COM plus élevée par rapport aux conceptions FR-4 standard. Pour les produits 224G+ et le développement PCBA, les recommandations suivantes sont essentielles:
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Sélectionnez des matériaux diélectriques avec Dk < 3.5 et Df < 0.002, et vérifier leurs coefficients de température.
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Contrôler la rugosité de la feuille de cuivre jusqu'à Rz < 0.8 µm, prioriser l’utilisation du modèle Huray pour les simulations.
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Optimiser les processus de fabrication, comme la mise en œuvre d'un traitement d'oxyde à faible gravure et d'un enregistrement de précision, pour contrôler l'écart d'impédance à ± 5 %.
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Conclusion
La température est une variable critique pour l'intégrité du signal dans les PCB 224G. Grâce à la science des matériaux, optimisation des processus, et une modélisation précise, la dégradation des performances induite par les températures élevées peut être efficacement atténuée. Les futurs systèmes 448G nécessiteront une réduction supplémentaire de la sensibilité à la température de Dk/Df et l'intégration d'une conception robuste de gestion thermique.. Contactez un PCB leader et Fournisseur de PCBA accédez dès maintenant à des solutions de conception de haute fiabilité basées sur les normes IPC, établir une base solide pour votre infrastructure de centre de données de nouvelle génération.