Введение
Быстрое развитие искусственного интеллекта (Ай), высокопроизводительные вычисления (HPC), технологии автономного вождения подталкивают маршрутизаторы и коммутаторы центров обработки данных к межсоединениям 800G и 1,6T.. Следовательно, скорость сигнала на печатные платы превзошли 200 Гбит / с, вступаем в эру 224G. Этот скачок скорости передачи данных приводит к увеличению энергопотребления системы., вызывая повышение температуры на подложки для упаковки и печатные платы значительно вырастут, потенциально превышает 150°C в экстремальных сценариях. Высокотемпературная среда существенно изменяет диэлектрическую проницаемость. (Дк) и коэффициент рассеяния (Дф) из материалы для печатных плат, влияние на сопротивление линии передачи, вносимая потеря, и общая целостность сигнала (И), тем самым сжимая границы проектирования системы. На основе стандартов IPC и авторитетных экспериментальных данных., В этой статье подробно рассматривается влияние температуры на производительность печатной платы 224G.. Он охватывает свойства материала, производственные процессы, и анализ целостности сигнала, предлагая критические идеи проектирования для будущих приложений 448G и Высокоскоростной дизайн печатной платы.
Свойства материалов печатных плат и их поведение при высоких температурах
Материалы печатных плат составляют основу проектирование высокоскоростных схем, в основном состоящие из диэлектрических подложек и металлических проводников. Для приложений 224G и выше, Выбор материала напрямую определяет затухание сигнала, задерживать, и надежность, что делает выбор ламината печатной платы решающим для успешного печатная плата разработка.
Ключевые параметры диэлектрических материалов
Характеристики диэлектрического материала определяются его диэлектрической проницаемостью. (Дк) и коэффициент рассеяния (Дф). Согласно стандарту IPC-4101C., материалы со сверхнизкими потерями рекомендуются для высокоскоростных применений., обычно с Dk ниже 3.5 и Df меньше 0.002. Например, Политетрафторэтилен (ПТФЭ) а материалы с керамическим наполнителем могут иметь стабильный Dk 3,2±0,05 при 56 ГГц, с Df всего лишь 0.0005 (Источник: МПК-4103). Однако, повышение температуры усиливает молекулярную поляризацию, приводящее к дрейфу значений Dk и Df. Эксперименты показывают, что при повышении температуры от 25°С до 150°С, ДК общего Материал ФР-4 может увеличиться на 5%-10%, в то время как Df может увеличиться на 15%-20%, значительно усугубляя вносимые потери.
Проблема эффекта стеклянного переплетения
Ткань из стекловолокна, используется в качестве усиления в печатных платах, can cause the “glass weave effect” due to the inhomogeneity of its microscopic structure, что приводит к локализованным изменениям Dk и Df. Согласно методам испытаний IPC-TM-650, этот эффект может вызвать перекос дифференциальной пары до 1 пс/дюйм, чего достаточно, чтобы вызвать закрытие глазковой диаграммы в передаче сигналов 224G PAM-4.. Чтобы смягчить эту проблему, дизайнеры могут использовать фрезеровку под углом 10 градусов или использовать стеклянную ткань., контроль перекоса в пределах 0.5 пс/дюйм.
Влияние шероховатости медной фольги на потери в проводнике
Вклад потерь в проводнике в общие вносимые потери увеличивается с увеличением частоты.. В 56 Частота Найквиста ГГц для систем 224G, Шероховатость поверхности медной фольги становится решающим фактором, влияющим на производительность печатной платы и надежность печатной платы..
Типы медной фольги и модели шероховатости
По стандарту IPC-4562, медная фольга подразделяется на такие типы, как высокотемпературное удлинение. (HTE), Фольга с обратной обработкой (РТФ), и сверх-очень низкий профиль (ХВЛП). Их шероховатость, измеряется как Rz, уменьшается примерно с 2.31 мкм для HTE ниже 0.6 мкм для типов HVLP. Экспериментальные данные с использованием фольги HVLP4., измерено с помощью сканирующего электронного микроскопа (Который), показал Rz 0.901 мкм. Распространенные подходы к моделированию шероховатости меди включают модели Хаммерстада и Хюрая.. Модель Huray сохраняет высокую точность выше 50 ГГц; его формула представляется как:
R_eff = R_0 (1 + (2/π) arctan(1.4 Δ/δ )² )
Где R_0 сопротивление гладкой меди, δ это глубина кожи, и Δ параметр шероховатости.
Взаимодействие скин-эффекта и высокой температуры
Высокие температуры усугубляют кожный эффект., дальнейшее увеличение потерь в проводнике. При 150°С, удельное сопротивление меди увеличивается примерно 40%, что приводит к дополнительным вносимым потерям около 0.5 дБ/дюйм. Поэтому, для дизайна печатной платы 224G, желательно выбирать медную фольгу сверхнизкой шероховатости с Rz < 0.8 мкм и интегрировать эффективные стратегии управления температурным режимом в конструкцию печатной платы..
Влияние процессов производства печатных плат на целостность сигнала
Ключевые шаги в Производство печатных плат рабочий процесс, например, обработка оксидом (подрумянивание), ламинирование, и качество поверхности, может привести к отклонениям импеданса и потерям. Эти эффекты более выражены в высокотемпературных средах., влияние на конечную производительность PCBA.
Анализ критических этапов процесса
Визуализация внутреннего слоя и обработка оксидом напрямую влияют на конечную шероховатость медной фольги.. Экспериментальные данные показывают, что использование низкотравящей оксидной обработки может снизить шероховатость от 1.5 мкм до 1.1 мкм, одновременно обеспечивая адгезию к препрегу (ПП) соответствует стандарту прочности на отслаивание IPC-TM-650 (≥8 фунтов/дюйм). Допуск регистрации во время ламинирования и сверления следует контролировать в пределах ±25 мкм, чтобы избежать несоответствия импеданса, вызванного переходными шлейфами.. Согласно IPC-6012E, каждый 10 Увеличение длины переходного шлейфа на милы может привести к 0.2 дБ увеличение вносимых потерь при 56 ГГц.
Выбор отделки поверхности печатной платы
Слой отделки поверхности существенно влияет на характеристики микрополосок.. Электролетное никелевое электролетное погружение палладий Золото (Enepic), из-за низкой проводимости его никелевого слоя (1.43×10⁶ См/м), экспонатов примерно 15% более высокие вносимые потери при 56 ГГц по сравнению с органическим консервантом для пайки (ОСП). Для высокоскоростная печатная плата и приложения PCBA, Рекомендуется OSP или Immersion Silver., поскольку их проводимость ближе к меди (5.8×10⁷ См/м), минимизация дополнительных потерь.
Комплексное влияние температуры на целостность сигнала
Изменение температурных условий одновременно изменяет диэлектрические свойства., выступление дирижера, и производственные допуски. Их совокупное влияние на ключевые показатели, такие как глазковые диаграммы и операционная маржа канала. (КОМ) должны оцениваться посредством моделирования и измерений.
Извлечение параметров и моделирование
На основе метода испытаний IPC D24A., S-параметры измерялись в диапазоне температур от 25°C до 150°C., из которого были извлечены значения Dk и Df. Результаты показывают, что на каждые 50°C повышение температуры, Dk возрастает в среднем на 0.1, и Df увеличивается на 0.0003. Использование программного обеспечения ADS для модели Huray, смоделированное изменение вносимых потерь показало менее 3% погрешность по сравнению с измеренными данными.
Глазковая диаграмма и рабочий запас канала (КОМ) Анализ
Имитация сигнала 224G PAM-4 на 56 ГГц по сравнению со стандартом IEEE 802.3dj демонстрирует значительное ухудшение производительности.. При повышении температуры от 25°C до 150°C, Высота глаз уменьшается на 40%, ширина глаз уменьшается на 25%, и маржа COM уменьшается на 35%. Использование материалов со сверхнизкими потерями (Дф < 0.001) может подавить деградацию, вызванную температурой, с точностью до 15%, обеспечение надежности системы для требовательных приложений PCBA.
Экспериментальная проверка и рекомендации по проектированию
Сравнительные испытания на нескольких платах подтвердили эффективность оптимизации материалов и процессов.. В среде 150°C, Печатные платы с использованием медной фольги HVLP и материала PTFE продемонстрировали 50% более высокий запас COM по сравнению со стандартными конструкциями FR-4. Для продуктов 224G+ и разработки PCBA, следующие рекомендации имеют решающее значение:
-
Выберите диэлектрические материалы с помощью Dk < 3.5 и Дф < 0.002, и проверить их температурные коэффициенты.
-
Контролируйте шероховатость медной фольги до Rz < 0.8 мкм, приоритет использования модели Хурея для моделирования.
-
Оптимизировать производственные процессы, такие как обработка оксида с низким травлением и прецизионная регистрация., контролировать отклонение импеданса в пределах ±5%.
-
Сотрудничайте с профессиональными печатными платами и производитель печатных плат для получения индивидуальных решений и ценовых предложений в режиме реального времени, обеспечение стабильности производства и высокой урожайности.
Заключение
Температура является критически важной переменной для целостности сигнала в печатных платах 224G.. Через материаловедение, Оптимизация процесса, и точное моделирование, ухудшение производительности, вызванное высокими температурами, можно эффективно смягчить. Будущие системы 448G потребуют дальнейшего снижения температурной чувствительности Dk/Df и внедрения надежной конструкции управления температурным режимом.. Свяжитесь с ведущей печатной платой и поставщик печатных плат теперь вы можете получить доступ к высоконадежным проектным решениям, основанным на стандартах IPC, заложим прочную основу для инфраструктуры вашего центра обработки данных следующего поколения.