细线差动对传输线设计空间的探索

本文是超细线设计指南系列的第二部分。第一部分是关于小领口的可接受程度．

微分对有三个重要的性能特性受到几何设计空间和材料特性的影响:微分阻抗、通道间的串扰和衰减。在探索最佳设计特征的设计空间时，这三个术语都有不同的衡量因素，它们都受到可用材料和制造商制造能力的限制。

本文以超细线微带微分对为例，重点研究了一种优化几何结构和材料性能以实现目标阻抗的新技术。同样的方法也适用于带状线几何。我们随后的论文将应用这种方法对差分对无返回平面，串扰分析，和衰减分析。

一系列新的功能

随着最近的引进Averatek半添加剂工艺(A-SAP™)工艺，线宽低于1 mil可以使用与传统4 mil宽线相同的制造加工设备。在本文中，我们将设计空间的探索扩展到超细线特征。这些轨迹的一个特殊特征是它们的纵横比(厚度/宽度)可以超过1。但是这个新的几何领域引入了一组设计权衡。

探索细线几何的方法学

在最初的研究中，100欧姆的微分阻抗是目标，特别是微带传输线。微带的设计空间由以下几何术语组成:

• 谱线宽度w
• 导体厚度t
• 介质厚度，h
• 掩焊层厚度h
• 层合板的介电常数Dk
• 掩焊层的介电常数Dk_sm

探索设计空间的目标是找到优化某些特征的参数值的组合，同时保持目标阻抗。

细线分析的挑战在于迹厚与线宽的纵横比可能超过1，这意味着近似值不适合分析。只有二维场求解器才能准确地计算出差分阻抗。在这项研究中，Keysight公司的路径波高级系统设计器ADS具有集成的2D场求解器，用于分析虚拟原型。但是，该场求解器不显示或输出实际的微分阻抗;一定是从模拟中挑出来的。

建立了具有参数化几何结构和材料特性的均匀差分对传输线虚拟样机。模拟差分TDR探测差分对。根据反射信号，计算任何特定叠加的微分阻抗。该电路如图1所示。

数字1．差分对的ADS虚拟样机仿真实例。差动副由其截面信息和长度定义。该源模拟一个TDR，从中提取差分阻抗。

该电路模型引入了分析所需的一些独特特性:

• 所有参数都被设置为变量，因此可以对它们进行扫描或优化
• 巴伦用于将输入差分电压阶跃转换为p和n激励电压
• 采用集成二维场求解器计算传输线响应
• 从模拟反射信号中提取差分阻抗
• 在模拟的传输线中部观测差分阻抗
• 与100欧姆的目标阻抗相比，提取的微分阻抗用于优化特定参数
• 选取一个参数进行扫描，并对其他参数进行优化以达到目标微分阻抗

仿真中的巴伦使得微分阻抗的提取非常简单。它将初始差分阶跃边信号转换为单独的p和n信号，用于激发差分对的p和n行。瞬时微分阻抗与V_TDR节点上模拟的电压有关:

微带差动对的一般横截面如图2所示。

数字2．图示用于描述微带差动对的尺寸术语。

最初，所有参数都是固定的，使用以下初始标称值:

• 线宽，w = 2 mil
• 两线内边间隙间隔s = 2mils
• 导体厚度，t = 34 u
• 介质厚度h = 2 mil
• 掩焊层厚度h = 1 mil
• 层合板的介电常数Dk = 4
• 屏蔽焊介电常数，Dk_sm = 1(无屏蔽焊)

该模型可用于说明任意参数对微分阻抗的敏感性。例如，当两个迹线内边缘之间的间隙分离减小，并且所有其他参数保持固定时，我们期望微分阻抗也会减小-但只有当间隙分离足够小以显示耦合效应时。

用该模型来说明这一原理。图3显示了当线宽固定在2 mils时，间隙变化时的微分阻抗。当间隙大于10密耳时，微分阻抗与分离无关，正如我们所预期的那样。10mil的分离对应大约5倍的介电厚度。这与通常使用的经验法则是一致的，即微带边缘的边缘场延伸到最大5倍的电介质厚度。在这个距离之外，没有实质的边缘场，也没有迹到迹耦合。

数字3.．当间隙分离改变时，对固定2 mil宽微带迹的微分阻抗的影响。介质厚度为2密耳。这是四种不同厚度的导体。

模拟结果还显示了导体厚度的影响。随着迹线厚度从1 / 2 oz铜增加到2 oz铜，侧壁厚度增加，侧壁有更多的条纹场，微分阻抗减小。由于这种效应都是由条纹场主导的，虽然我们可以预测趋势，但只能使用2D场求解器计算出迹厚对微分阻抗的实际灵敏度。

约翰尼·卡什原则

该模型还可以通过改变一个参数和优化另一个参数来探索设计空间，以始终达到目标微分阻抗。例如，当间隙分离减小时，为了防止微分阻抗也减小，我们可以找到优化的线宽来达到目标阻抗。在图4中，我们显示了当间隙变化时，间隙分离的设计空间和目标微分阻抗为100欧姆和1 oz铜的线宽。在这条曲线上，对的微分阻抗都是100欧姆。该曲线定义了可接受的设计空间。

数字4．100欧姆微分阻抗的设计空间，显示间隙分离变化所需的线宽，用于2密耳的固定介电厚度和1盎司铜迹线。

在给定其他参数值的情况下，为实现100欧姆的目标阻抗而绘制的线宽和间隙分离图定义了该差分对的设计空间。只要设计总是“走这条线”，微分阻抗就是恒定的。这种为固定目标阻抗定义设计空间并将差分对设计限制在这条标线上的原则被称为约翰尼·卡什原则，在他的第一张金专辑“我走线”之后。

约翰尼·卡什原理在差分对通过受限区域(如连接器或BGA通过场)时非常重要。只要微分对总是“走线”，对于任何间隙分离微分阻抗将是恒定的。即使线宽和间隙分离发生变化，也不会出现阻抗不连续，与设计空间一致。

例如，在1盎司铜走线的情况下，线宽为1mil，间隙间隔为1.5 mils，可以在过孔场中使用，然后扩展到3mil宽的走线，在电路板不太拥挤的区域中，间隙间隔为8mils。微分阻抗是完全恒定的。

或者，线宽为6u、间隙为6u的差动副起始值为100欧姆。这些功能将允许从0.5 mm间距BGA衬垫场中获得4个路由通道。开云体育官网登录平台网址图5显示了在BGA场中路由四个轨道的示例，同时调整了轨道宽度和间隙以行走线路。这些特性将极大地简化从密集的via字段的路由。

数字5．一个100欧姆差动对的布线示例，在0.5 mm间距BGA衬垫之间有四个布线轨道，调整迹线截面以“走线”。超细线，6u线宽，6u间隙，可在衬垫之间安装四个轨道。这极大地简化了大型BGA设备的路由要求，同时保持恒定的100欧姆差分阻抗。

导体厚度影响

当然，微分阻抗的具体值也取决于导体的厚度。当所有项都固定时，较厚的导体将导致较低的微分阻抗，但不是很多。导线厚度会影响线宽和间隙分离的设计空间。图6显示了17 um、34 um、51 um和68 um四种不同厚度时，相同的间隙分离设计空间和线宽。

数字6．从1/2 oz到2 oz铜的四种不同导体厚度的100欧姆差分阻抗设计空间。每条曲线都是一条恒定的100欧姆微分阻抗线。

当间隙分离变得足够大时，差动对中的两个迹线之间没有耦合。当你达到这个极限时，微分阻抗不再依赖于间隙分离。在大间隙分离时，即使间隙分离发生变化，线宽也达到恒定值。

导体越厚，差分阻抗越低。对于较厚的导体，线宽需要更窄，以保持相同的100欧姆微分阻抗。

通过扫描多个参数并找到导致目标阻抗的其他参数的值，可以分析参数对以查看趋势。这有助于建立设计直觉，并提供了一个起点，以找到基于材料可用性、制造能力和设计约束的优化参数集。

信道宽度的一种新度量

当显示设计参数对差分阻抗的影响时，通常使用构成差分对的线之间的内部间隙作为差分对中迹线之间耦合的度量。毕竟，这是边缘领域范围的一个度量标准。然而，一个更有趣的度量是跨度对于差动副:差动副的外缘到外缘的距离。这定义了通道在电路板上占用的总宽度。图2说明了这一点。

差动对的跨度是描述板上差动对的范围的一个度量。当决定如何拟合微分对通过一个密集的通过场时，跨度是一个有用的度量。它定义了差分对所需的路径宽度。

在开放路由场中，通道的密度或通道之间的间距由可接受的串扰水平驱动，而串扰水平强烈依开云体育官网登录平台网址赖于两个相邻差分对之间的外边缘间隙分离。此串扰分析将在本研究的后续论文中介绍。受串扰限制的差动对的路由间距是差动对的跨度加上可接受的相邻通道到通道间隙。

跨度是间隙间隔和线宽的2x之和。当所有其他参数都固定时，跨度是设计空间的唯一参数。对于一个固定的跨度，只有一种线宽和间隙分离的组合才能实现目标微分阻抗。

例如，图7显示了当线宽变化时，固定跨度为5密耳的一对的微分阻抗。当线宽减小时，间隙分离将增加以保持跨度固定。这将增加微分阻抗。对于固定跨度，只有线宽和分离的一种组合将导致目标阻抗为100欧姆。例如，对于跨度为5密耳的线，当线宽为1.8密耳时，间隙约为1.4密耳，对于0.5 oz铜迹线，微分阻抗约为100欧姆。

数字7．固定跨度为5密耳的一对的微分阻抗。有一个值的线宽和间隙分离，导致一个特定的目标阻抗。

基于跨度的微分对的空间设计

使用这个新的跨度度量，我们可以探索差分对的设计空间。随着跨距的增加，100欧姆目标阻抗线宽和跨距的设计空间如图8所示。

数字8．为100欧姆差动微带设计空间，显示四种不同导体厚度的线宽随着跨距的改变。

随着跨度的增加，实现目标阻抗所需的线宽有一个限制。这和我们在彻底分离的案例中发现的原因是一样的。由于对之间的耦合降低，微分阻抗仅由线宽、迹厚和电介质厚度定义。耦合到相邻跟踪没有任何贡献。

痕迹厚度有一个小的影响。当导线跨距大、间隙大时，较厚的导线会从迹线侧壁增加更多的条纹场，从而降低微分阻抗。这需要更窄的线路来满足100欧姆的差分阻抗目标。

结论

差分对传输线有许多影响其差分阻抗的参数。我们提出了一种方法，系统地探索设计约束，以实现一个目标阻抗使用二维场求解器。

当所有其他参数，如电介质厚度和导体厚度都是固定的，约翰尼·卡什原理定义了线宽和间隙分离或跨度之间的约束，以实现目标阻抗。只要差分对与此约束一致，差分阻抗将是恒定的，因为差分对从通过逸出场内部到较少限制的开放路由场。

我们引入了一个新的参数，微分对的跨度，它限定了微分对通过一个受限的via域所需的空间。

随着Averatek半加性工艺(a - sap™)工艺的引入，工程师现在可以设计出一种差分对，可以在18 u的跨度内，在密集的通径场中实现4条路径，并在不密集的区域中扩展到更宽的路径和跨度，所有这些都具有恒定的微分阻抗。

参考文献

Eric Bogatin, 2021年。“新的化学工艺承诺更好的PCB功能。”信号完整性期刊。//www.lambexpress.com/blogs/4-eric-bogatin-signal-integrity-journal-technical-editor/post/2122-new-electroless-process-promises-finer-pcb-features

Eric Bogatin, Chaithra Suresh, Melinda Piket-May, Haris Basit, Paul Dennig, 2022。“利用细线pcb与高密度BGAs。”信号完整性期刊。//www.lambexpress.com/articles/2386-utilizing-fine-line-pcbs-with-high-density-bgas