均匀传输线因其宽带阻抗特性最适合于高速数据传输。在某些应用中，均匀性的微小偏差可以帮助优化其他所需的信号完整性指标。串行器/反串行器(SERDES)链路的通道运行裕度(COM)受几个参数[1]的影响。其中，倾斜(影响插入损耗)和串扰是重要的贡献者。由于“纤维编织效应”而导致的印刷差速器对的倾斜是众所周知的，存在许多表征和减少的解决方案[2-3]。减少pcb串扰的方法也得到了很好的研究。作为这两个问题的可能解决方案，本文研究了使用非均匀互连几何。
互连几何
已知侧面耦合微分对几何结构需要更厚的电介质衬底。如图1所示，边缘耦合差分对的主要优点是可以在降低PCB厚度和层数的情况下实现。如图所示，可以通过抵消两条迹线来修改横向耦合迹线几何形状。这减少了给定阻抗所需的迹线和层厚度之间的耦合。
图1:按比例绘制的差动传输线几何图形
表1:图1的微分传输线几何尺寸，单位为密耳(Z年代为各道的自阻抗;Z米为迹线之间的互阻抗)
pcb中的纤维编织偏斜
在pcb中，均匀边耦合微分走线被广泛应用。在真正的PCB中保持严格的一致性是困难的，甚至是不可能的。需要在球栅阵列(BGA)和连接器引脚场中进行布线，而这些引脚场呈现出不均匀的环境。此外，PCB基板本身在使用玻璃纤维时呈现出不均匀的环境。
有趣的是，这些不均匀性往往是周期性的。通过在均匀互连的迹线中有意地引入周期性的不均匀性，就有可能纠正由环境引起的不良影响。这已经在早期用于减少阻抗变化和串扰。通过适当的修改，它可以设计成确保差分对的每个P或N迹感知相同的环境[5]。虽然宽边耦合互连没有明显的优势，但它有助于伪双绞线的构造，如图2所示。
图2:非均匀差分互连示意图。
首先考虑如图3所示的直宽边耦合差动副的情况。衬底有三个单层1080风格的编织堆叠，其编织模式完美对齐，从而导致介电常数的最大横向变化。几何形状为W = 4密耳，S = 10密耳，D1=D3 = 4密耳，D2 = 3密耳，T = 0.6密耳。假设玻璃束的介电常数值为6，损耗正切= 0.02。假设该树脂的介电常数值为2，损耗正切= 0.01。传输线的长度假定为200密耳。(三维EM模拟使用Ansys ' HFSS进行。)
图3:作为参考的直200密耳长宽边互连几何结构的一部分插图
计算得到的s参数如图4所示。差动对Diff1由单端端口1和2组成，差动对Diff2由单端端口3和4组成。
由单端插入损耗的相位差得到时域上的偏斜。从图4中可以看出，在25 GHz时，S13和S24之间的相位差是32.53度。从参考[5]开始，弧度相位差等于2 × p ×频率×时域倾斜。这为200 mil线长度提供了3.6ps (32.53/(360 x 25e+09))的倾斜值。对于1英寸的痕迹长度，它是18ps /英寸。还可以看到，该差分对在其P和N迹线之间具有非常低的远端串扰(FEXT)。
图4:图3几何结构s参数计算结果(注:S14 < -54 dB)
图5所示的非均匀互连是通过沿方程定义的曲线扫取一个矩形(迹截面)来构造的
图5:部分非均匀轨迹几何的说明。
不同层上的N-Trace是P-trace的镜像，如图5所示。所有其他物理参数与图3的几何图形相同。在这种情况下计算的倾斜小于0.03pS/英寸(参见图6)。
图6:图5中几何图形的s参数计算结果
很容易看出，通过控制线的周期性，可以使重叠扭转的数量发生变化。增加“单位长度的扭转数”将减少P-N倾斜。
这种类型的非均匀传输线还有另一个独特的特征，如图6的单端耦合图所示。P和N迹线之间的单端FEXT (SE FEXT) = S(4,1))随频率增加而增加，而单端插入损耗(SE IL = S(2,1))则减小。这个几何图形的一小部分可以用来建立一个强耦合的微分对。
需要注意的是，“歪斜”本身并不是影响COM[1]的基本参数。微分插入损耗受到偏斜的强烈影响，偏斜可以导致在某个精确频率处的零值，其积分倍数导致完全衰落。当该频率接近数据传输的奈奎斯特频率时，眼开度减小，导致误码率(bit error rate)增加。
如果可以减少这种不受欢迎的倾斜影响，即使在存在大量倾斜的情况下，也可以以高数据速率运行。采用强耦合微分元件可以减小偏斜的影响。需要在链接路径的特定位置插入两个或多个这样的元素。它们的结果是显著减少褪色。这已经在参考文献[5]中得到了分析和数值验证。
包中的差分近端串扰
在半导体封装的情况下，高密度通常是使用倒装芯片(FC)和BGA技术实现的。在高数据速率下工作的远程电接口需要设计以满足对插入损耗、返回损耗和串扰的严格要求。
最先进的有源器件可以克服链路中较大的插入损耗。但是，串扰级别限制了链路的最大长度。近端串扰(NEXT)是由发生在FC凸起附近的一个非常小的区域内的电磁耦合决定的。互连差分串扰电平通常通过增加差分对之间的间距和使用接地保护迹线来降低。当差分对密度高、紧密间隔且颈缩时，FC球附近极短距离的互连路由将不可避免，这将导致NEXT[6]的增加。通过在小区域上使用非均匀迹线，可以大幅度降低NEXT。
图7:微分传输线几何截面图。(尺寸单位为微米，衬底ABF GZ41, Z年代每道和Z的自阻抗是多少米为迹线之间的互阻抗)
首先，为了获得一个参考，模拟了图7中一个2000微米长的边耦合条带线。这个互连是23微米宽，边到边的间距为29微米。因此，沿截面的端到端距离为23+29+23 = 75微米。
非均匀差分对的p迹是通过沿所定义的路径扫掠矩形迹截面(W x T)来构造的
N-Trace是通过y(t)乘以-1得到的。需要注意的是，使用宽度为25微米、间距为25微米的迹线，仅对于直宽边耦合迹线，差分阻抗为104欧姆。构造具有相同宽度和间距的非均匀迹线将导致较低的特性阻抗。由于重叠区域的存在，该几何图形具有更大的电容，其特征阻抗小于图7的均匀线。
这是通过减少痕迹宽度到18微米和增加间隙到39微米来补偿的。为了公平的比较，两种情况下的端到端距离固定为75um。因此，非均匀迹线的宽度为18+39+18 = 75微米，长度为2000微米。
图8:单个微分对的s参数计算
计算结果如图8所示。非均匀互连将有一个增加的插入损失，由于较长的路径长度和较窄的轨迹。
图9:所考虑的3种情况的俯视图说明(尺寸单位为微米)。
为了比较差分串扰水平，模拟了如图9所示并排放置间距为30um的一对迹线。直带状线的情况具有与图7中相同的截面。
1881年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明了双绞电缆以减少串扰。从辐射的角度来看，扭转会导致近场强度的降低，从而导致串扰。在用于传输以太网数据的双绞线的情况下，众所周知，它们的性能取决于单位长度的绞数。图2中的非均匀互连几何结构在二维中表现为双绞线。为了说明，考虑了两种不同的扭转周期。在模拟中，截面上的端到端距离在所有3种情况下都保持在180微米。也就是说，每一对都有75微米宽，间隔30微米。这三个例子的长度都是2000微米。
计算得到的s参数显示差分插入和返回损失值非常接近图8，这里不再重复。图9显示了差分NEXT值的比较，当T = 250 um时，减少9dB是可行的，这相当于长度上的8次扭转。将长度上的扭转次数增加到10次只会在NEXT级别中产生很小的改善。
图10:图9中的几何图形的计算差分NEXT比较
查看FEXT的效果也很重要(图10)。当T = 250 um时，FEXT在低频时显示出一些减少，但在高频时几乎与带状线相同。增加扭转的次数可以提高下一关的水平。然而，它可以大幅提高FEXT水平。
图11:图9中几何图形的计算差分FEXT比较
结论
在这项工作中，提出了一种新的传输线结构，作为解决pcb和NEXT中纤维编织倾斜的解决方案。在pcb的情况下，它将允许使用低成本的层压板，已知会导致纤维编织倾斜。一个例子是长柔性pcb。在封装的情况下，短段的非均匀互连可以在FC区域附近使用。缺点是需要额外的路由层和在层对层配准方面的高精度。
参考文献
[1] B. Gore和R. Mellitz，“在10GBASE-KR信道设计中应用信道操作裕度的练习”，IEEE EMC研讨会论文集，瑞利，NC。， 2014, pp. 648-653。
[2]叶晓宁，叶晓宁，“纤维织构效应的影响分析与对策研究”，中国机械工程学报，2007,pp. 1-28。
[3] Eric Bogatin, Bill Hargin, Venkata Satya Sai, Don and Don de Groot，”玻璃编织斜线表征新技术信号完整性杂志，2017年3月。
霍华德·约翰逊和马丁·格雷厄姆，高速信号传播-先进的黑魔法，信号和功率完整性简化，普伦蒂斯·霍尔，2003年。
[5] Syed Bokhari，“关于PCB差速器对倾斜或其影响的最小化”，2019年设计大会论文集。
[6] Pavel Roy Paladhi, Jose Hejase, Nam Pham, Ghadir Gholami, Prasanna Jayaraman, Megan Nguyen, Glen Wiedemeier和Daniel Dreps Pavel Roy G. Eason, B. Noble和I. N. Sneddon，“在25gb /s总线上靠近接收器的NEXT耦合效应”，IEEE第26届电子封装和系统电气性能会议论文集，2017年10月15-18日。
[7] Syed Bokhari，“NEXT reduce in Package interconnections”，2019 IEEE 28th电子封装和系统电气性能(EPEPS)会议，加拿大蒙特利尔。
