Pada masa kini, kadar penghantaran rangkaian antara sambungan komputer berprestasi tinggi dengan aplikasi penghantaran bersiri berkelajuan tinggi telah berkembang menjadi FDR (Fourteen Data Rate, 14Gb/s), generasi ke-4 daripada SDR (Single Data Rate, 2.5Gb/s) asas, DDR (Double Data Rate, 5Gb/s) dan QDR (Quad Data Rate, 10Gb/s). Reka bentuk PCB (Papan Litar Bercetak) dengan papan sambungan dan suis serta kad antara muka yang penting untuk pembentukan Internet telah memasuki bidang FDR berkelajuan tinggi dan berfrekuensi tinggi. Oleh kerana masa naik isyarat FDR telah berkurang dengan ketara kepada magnitud 10ps, satu siri masalah berkaitan keutuhan isyarat telah menjadi ciri utama untuk menentukan kemungkinan pelaksanaan fungsi dan operasi yang boleh dipercayai, seperti pelemahan, gangguan silang, pantulan, gangguan elektromagnet dan sebagainya. Berdasarkan ciri cip sambungan FDR termasuk berbilang port, berbilang saluran, berbilang kategori kuasa dan penggunaan tenaga yang tinggi, berbilang cip sambungan sentiasa perlu disepadukan pada satu papan sambungan tunggal untuk meningkatkan kadar throughput. Pada papan dengan ruang terhad, di satu pihak, beberapa keperluan perlu dipenuhi termasuksusun atur komponenserakan haba, penghalaan dengan ketumpatan tinggi, penghantaran jarak jauh di bahagian belakang papan dan keutuhan semua jenis isyarat. Sebaliknya, beberapa elemen perlu diambil kira termasuk tempoh reka bentuk PCB, had teknik fabrikasi PCB dan kawalan kos. Oleh itu, adalah amat sukar untuk pelaksanaan reka bentuk dan pengesahan simulasi. Berdasarkan contoh reka bentuk PCB bagi papan suis dan sambungan FDR, artikel ini mengemukakan beberapa kaedah pengoptimuman dari segi pemilihan bahan substrat,reka bentuk susun lapis, peraturan penghalaan dan reka bentuk anti-gangguan bagi menyelesaikan masalah keutuhan pelbagai jenis isyarat dalam proses reka bentuk PCB berkelajuan tinggi FDR.
Pemilihan Atribut Pelemahan dan Bahan Substrat
Bagi isyarat frekuensi tinggi FDR, kehilangan talian penghantaran ialah masalah yang berkaitan dengan keutuhan isyarat. Apabila isyarat FDR dihantar dari terminal pemancar ke terminal penerima sepanjang saluran antara sambungan, disebabkan oleh pelemahan frekuensi tinggi yang jauh lebih besar daripada pelemahan frekuensi rendah, herotan serius telah berlaku pada bentuk gelombang isyarat yang tiba di terminal penerima. Herotan ini terutamanya dikelaskan kepada dua aspek: ayunan voltan isyarat telah banyak berkurang manakala kemerosotan teruk telah berlaku pada tepi naik isyarat. Yang pertama mengehadkan jarak penghantaran isyarat manakala yang kedua membawa kepada gangguan antara kod. Kehilangan talian penghantaran A boleh dianggap sebagai jumlah kehilangan konduktorAsyaratdan kehilangan dielektrikAdielseperti yang ditunjukkan dalam Formula (1):A=Adiel+Asyarat.
Kehilangan konduktor merujuk kepada kehilangan yang disebabkan oleh perintang siri pada konduktor kuprum antara laluan isyarat dan laluan kembali. Dalam keadaan frekuensi tinggi, kesan kulit menyebabkan arus mengalir pada permukaan konduktor kuprum sekeliling. Dengan peningkatan rintangan siri setara konduktor kuprum, kehilangan konduktor akan meningkat dengan peningkatan frekuensi yang berkadar terus dengan punca kuasa dua frekuensi, seperti yang ditunjukkan dalam Formula (2):
.
Kehilangan dielektrik merujuk kepada kehilangan yang dijana oleh medium bahan substrat, yang terutama ditentukan oleh sifat bahan dan tidak berkaitan dengan struktur geometri termasuk lebar konduktor, berkadar terus dengan frekuensi, seperti yang ditunjukkan dalam Formula (3):
.
Berdasarkan Formula (2), peningkatan lebar jalur mampu mengurangkan kehilangan konduktor. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikalReka bentuk PCB, lebar konduktor tidak boleh menjadi terlalu lebar tanpa had disebabkan oleh had jarak antara pin, papan, bilangan lapisan isyarat dan impedans. Lebar/jarak/lebar konduktor yang biasa digunakan dalam reka bentuk FDR biasanya 7mil/7mil/7mil atau 8mil/10mil/8mil. Apabila lebar konduktor adalah sama, kehilangan konduktor berkadar terus dengan panjang konduktor, tanpa sebarang kaitan dengan bahan. Oleh itu, untuk mengurangkan kehilangan penghantaran keseluruhan, hanya kehilangan dielektrik perlu diambil kira. Berdasarkan Formula (3), kehilangan dielektrik adalah berkadar dengan faktor kehilangan, dan penggunaan faktor kehilangan yang kecil boleh membantu mengurangkan kehilangan dielektrik, sekali gus mengurangkan kehilangan penghantaran keseluruhan.
Jadual 1 menyenaraikan parameter atribut bagi tiga bahan papan kelajuan tinggi biasa dan nilai kehilangan yang dikira mengikut Formula (1), (2) dan (3) apabila kadar penghantaran ialah 14Gb/s, lebar konduktor 8mil dan impedans 50Ω.
|
Parameter bahan papan
|
FR4
|
Nelco4000-13SI
|
Megtron6
|
| Df@10GHz |
0.02 |
0.008 |
0.004 |
| Dk@10GHz |
4.10 |
3.200 |
3.600 |
| Akond@7GHz/dalam |
0.24 |
0.240 |
0.240 |
| Adiel@7GHz/dalam |
0.65 |
0.230 |
0.120 |
| A@7GHz/dalam |
0.89 |
0.470 |
0.360 |
| A@7GHz/30in |
27.00 |
14.000 |
11.000 |
| Kos Relatif |
1.00 |
3.500 |
8.000 |
Dapat dinyatakan bahawa dengan kadar penghantaran 14Gb/s dan panjang penghantaran 30 inci, kehilangan penghantaran keseluruhan bagi Nelco4000-13SI adalah kira-kira 14dB manakala pelemahan ayunan voltan yang biasanya boleh ditanggung oleh cip FDR adalah dalam julat 20dB hingga 25dB. Oleh itu, jenis bahan papan ini boleh digunakan dalam reka bentuk papan suis sambungan antara FDR dengan jarak penghantaran kurang daripada 30 inci. Walau bagaimanapun, pelemahan penghantaran keseluruhan FR4 adalah kira-kira 27dB dan FR4 tidak boleh digunakan untuk reka bentuk FDR bagi reka bentuk jarak jauh tetapi kad antara muka sambungan FDR dengan jarak penghantaran yang pendek dibenarkan memilih FR4 untuk mengurangkan kos. Bagi Megtron6 yang mempunyai pelemahan penghantaran keseluruhan paling kecil, ia mempunyai kos tertinggi dan penggunaannya dalam FDR membawa kepada peningkatan yuran seni bina sistem. Kesimpulannya, untukPCB frekuensi tinggi, bahan papan ialah asas dan pemilihan bahan papan menentukan panjang penghantaran isyarat.
Reka Letak dan Reka Bentuk Susunan
Untuk reka bentuk PCB, struktur papan litar dan susunan lapisan perlu diambil kira terlebih dahulu. Biasanya, corak dan bentuk papan litar telah ditentukan dan penentuan bilangan lapisan bergantung pada frekuensi isyarat, ketumpatan pin papan litar,Kos pembuatan PCB, tempoh pembuatan dan keperluan kebolehpercayaan. Papan suis sambungan FDR mempunyai frekuensi dan ketumpatan yang tinggi dan penggunaan papan berbilang lapisan ialah langkah yang perlu untuk mengurangkan gangguan. Di samping itu, penentuan bilangan lapisan adalah penting.
Terdapat 24 port pada cip saling sambung FDR dan setiap port mempunyai 8 saluran Tx dan 8 saluran Rx dalam kaedah operasi gandingan antara. 6 cip saling sambung dan 3 cip pautan bawah digunakan oleh papan saling sambung FDR dan 32 port diakses melalui penyambung papan belakang. 3 cip pautan atas mengakses 21 port melalui gentian optik QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable). Cip pautan atas dan cip pautan bawah disambungkan antara satu sama lain melalui 4 port, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
FDR menampilkan pakejBGA (Susunan Grid Bebola)dengan keluasan 50mm x 50mm, 1157 pin dan jarak 1.0mm serta pin P/N pada port Tx dan Rx diedarkan mengikut 3 bulatan sepusat. Secara teori, 3 lapisan isyarat boleh digunakan untuk membawa semua pin pada semua port keluar dari BGA. Dengan mempertimbangkan dua elemen berikut, dua lapisan isyarat boleh digunakan untuk mengakses satu kumpulan pin bulatan sepusat.
a. Disebabkan oleh kekangan ruang, lebar garisan/jarak/lebar garisan pembeza adalah 4mil/4mil/4mil dan ia akan dikembangkan kepada 8mil/10mil/8mil apabila keluar dari BGA dan jarak antara pasangan garisan pembeza hendaklah tidak kurang daripada 50mil. Oleh itu, sepasang garisan pembeza perlu mengambil lebar 2mm dan 48 pasangan isyarat berada di sepanjang tepi dengan ketumpatan terbesar. Jadi adalah sukar untuk melaksanakan kaedah ini.
b. Jarak antara pin BGA ialah 1mm. Jika satu lapisan isyarat digunakan untuk mengakses sekumpulan isyarat bulatan sepusat, jarak antara pasangan talian berbeza di bawah BGA hanyalah 14mil, yang jauh daripada keperluan 50mil. Selain itu, panjang pendawaian selari maksimum hanyalah 20mm, yang akan menghasilkan sedikit gangguan silang.
Untuk mengelakkan faktor negatif yang disebutkan di atas, dua lapisan isyarat digunakan untuk mengakses sekumpulan isyarat bulatan sepusat dan isyarat pembeza pada setiap lapisan isyarat perlu dibawa keluar dari BGA mengikut jarak 50 mil. Oleh itu, sekurang-kurangnya 6 lapisan diperlukan oleh papan sambungan FDR untuk membawa semua isyarat pembeza keluar dari BGA. Dengan mengambil kira kebolehhubungan dan jumlah peroutingan papan serta permukaan papan yang mencukupi untuk kapasitor gandingan pertukaran, 8 isyarat dalaman dan susunan 22 lapisan digunakan.
Analisis Crosstalk dan Langkah Pengurangan
Crosstalk ialah pertimbangan pertama dari segi reka bentuk litar berkelajuan tinggi dan berketumpatan tinggi. Apabila voltan dan arus dalam talian ofensif berubah, gandingan elektromagnet akan berlaku melalui kapasitans bersama dan induktans bersama antara talian ofensif dan talian mangsa. Crosstalk yang mengalir ke arah terminal penghantaran sepanjang talian mangsa dipanggil crosstalk terminal dekat manakala crosstalk yang mengalir ke arah terminal penerimaan sepanjang talian mangsa dipanggil crosstalk terminal jauh. Secara amnya, voltan hingar keseluruhan pada talian mangsa hendaklah dikawal kurang daripada 5% daripada voltan isyarat. Adalah paling baik untuk mengawal bajet crosstalk bagi talian ofensif tepi tunggal dalam lingkungan 1% dengan sumber hingar lain dan talian ofensif di kedua-dua sisi talian mangsa diambil kira.
Titik-titik utama yang perlu diikuti dari segi pengurangan gangguan silang termasuk:
a. Jarak antara talian penyerang dan talian mangsa harus diperbesarkan dan panjang pendawaian selari harus dikurangkan.
b. Ground bersepadu digunakan sebagai laluan kembali isyarat. Menurut undang-undang empirik, bagi talian jalur 50Ω, apabila jarak adalah tiga kali lebar talian, gangguan silang hujung dekat adalah kira-kira 0.5%. Bagi talian mikrojalur 50Ω, apabila jarak adalah tiga kali lebar talian, gangguan silang hujung dekat adalah kira-kira 1%. Gangguan silang hujung jauh pada talian jalur atau talian mikrojalur yang tertanam sepenuhnya adalah hampir sifar dan kutub gangguan silang hujung jauh bagi talian penghantaran mikrojalur adalah negatif dengan magnitudnya agak besar kerana pengaruh gandingan induktif adalah lebih besar daripada gandingan kapasitif.
• Penghalaan selang
Dalam reka bentuk ini, impedans pembezaan talian pembezaan berkelajuan tinggi ialah 100Ω. Berdasarkan penyelesai medan Si9000, lebar talian/jarak/lebar talian dikira sebagai 8mil/10mil/8mil. Semakin lebar talian, semakin kecil pelemahannya dan jarak 10mil digunakan untuk mengekalkan impedans pembezaan 100Ω. Jenis talian pembezaan ini digunakan di luar kawasan cip BGA. Untuk mengurangkan gangguan silang, jarak antara dua pasangan talian pembezaan tidak kurang daripada 80mil. Jarak antara pin cip antara sambungan dalam artikel ini ialah 1mm dan had saiz lubang tembus BGA menjadikan lebar talian/jarak/lebar talian bagi talian pembezaan dalam kawasan cip BGA ialah 4mil/4mil/4mil. Walaupun impedans pembezaan bagi jenis talian pembezaan ini juga 100Ω, kehilangan plumbum adalah besar, memerlukan talian pembezaan 4mil/4mil/4mil ditukar kepada 8mil/10mil/8mil sebaik sahaja ia memasuki kawasan cip BGA. Untuk mengurangkan gangguan silang, talian pembezaan 4mil/4mil/4mil dalam kawasan cip BGA menggunakan kaedah pendawaian selang bagi memastikan jarak antara dua pasangan talian pembezaan juga lebih daripada 50mil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
• Lubang pembeza
Lubang pembezaan khusus ditetapkan dalam reka bentuk ini untuk penggunaan kapasitans gandingan pertukaran pada lapisan permukaan sambungan. Lubang tanah perlu diletakkan di sebelah lubang pembezaan untuk menyediakan saluran aliran balik bagi laluan kembali. Reka bentuk empat lubang tanah memberikan kesan terbaik dan dua lubang tanah juga boleh digunakan apabila kawasan papan adalah terhad. Selain itu, langkah seperti penggerudian belakang dan penyingkiran pad dalaman perlu diambil pada lubang pembezaan untuk mengurangkan perubahan impedans pada lubang pembezaan bagi mengurangkan ganggang dan pantulan.
• Mengelakkan Tx dan Rx daripada dirutekan dalam lapisan yang sama
Untuk mengurangkan gangguan silang, talian pembezaan Tx hendaklah dirutekan pada lapisan yang berbeza daripada talian pembezaan Rx. Di sini, Tx merujuk kepada terminal sumber talian pembezaan manakala Rx merujuk kepada terminal penerima talian pembezaan. Jika kedua-duanya perlu dirutekan pada lapisan yang sama, jarak antara keduanya mestilah melebihi 5mm untuk memastikan keselamatan.
• Peraturan 20 jam
Dalam litar PCB dengan frekuensi dan kelajuan tinggi, tenaga RF digandingkan oleh lapisan kuasa dan lapisan tanah PCB dan kebocoran fluks magnet tepi dijana antara lapisan kuasa dan lapisan tanah. Tenaga RF radio boleh dipancarkan ke ruang bebas. Peraturan 20H menunjukkan bahawa jika terdapat arus berkelajuan tinggi pada papan, terdapat medan elektromagnet yang berkaitan dengannya. Dalam reka bentuk artikel ini, jarak antara semua laluan dan tepi papan hendaklah sekurang-kurangnya 20 kali lebar garisan dan jarak antara lubang pembezaan berkelajuan tinggi dan garis pemotongan satah kuasa adalah sekurang-kurangnya 5mm.
• Penghalaan pada lapisan permukaan
Dalam reka bentuk PCB frekuensi tinggi, dengan mengambil kira gangguan silang hujung jauh yang agak besar antara talian mikrostrip dan talian strip, talian pembezaan berkelajuan tinggi adalah dilarang pada lapisan permukaan. Dalam reka bentuk artikel ini, maksimum 8 lapisan pendawaian dalaman diperlukan disebabkan oleh had proses pembuatan. Selain itu, had susunan terminal cip saling sambung menjadikan adalah mustahil bagi lapisan dalaman sahaja untuk melaksanakan sambungan talian pembezaan saling sambung antara 6 cip di dalam papan sambungan.
