一种测试高分子材料Dk值的方法研究

代秀云，何 洪

（四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000）

1 引言

随着电子通讯技术的快速发展，集成电路的封装与板上互连，对信号传输的带宽要求越来越高。与此同时，互连通道传输的速率越来越快，逻辑门的判决时间窗口也越来越小。相对于集成电路的封装，印制电路板上的传输线以及连接器，由于几何尺寸相对较大，更容易进入“分布参数模型”，即高速信号互连通道。PCB互连线、连接器以及布置在上的元件构成了电子设备互连系统的主要组成部分，信号通过印制板互连线以及连接器扩展到其他的印制板上，从而构成了整个背板系统。目前，高速连接器外形尺寸随信号密度要求越来越小，所有结构零件都采用精密模具制造，由于零件的尺寸小而精度要求高，模具造价往往不菲，要求我们在方案确认投模时对连接器高速指标十拿九稳，产品前期的研发阶段仿真技术应运而生。通过方案阶段SI仿真，确认高速连接器方案的插入损耗、回波损耗、模式转化、串扰和特性阻抗等指标满足使用要求，保证产品更优、更快、成本最低的投向市场。

2 材料Dk值对信号完整性的影响

特性阻抗是均匀传输线上各点的电压与电流的比值，特性阻抗的值与传输线的物理结构有关，主要受介电常数、传输线到参考平面之间的距离、线宽、线间距和走线厚度影响。特性阻抗是传输线的固有属性，对于给定的均匀传输线，其特性阻抗是固定的，它是与高速互联系统所有传输特性指标（包括插入损耗、回波损耗、模式转换和串扰等）相互关联的主要参数，高速传输系统的特性阻抗越接近于系统要求的阻抗值，各项高速指标性能更优，而信号反射产生的根本原因在于阻抗的不连续，当信号传输到阻抗不连续的点时，一部分信号就会反射回端源，另一部分信号则沿着传输线继续向前传播，并发生失真。反射造成的失真是引起信号完整性问题的主要原因之一，它会使信号的质量下降，引起信号的上冲、下冲和振铃等信号完整性问题。要改善信号反射问题，保证互连线阻抗的一致性是改善反射的唯一方法。

高速背板连接器常规结构中信号走线的传输介质一般是空气或某种固定信号走线的高分子材料，但高速背板连接器中信号走线不论在空气中、高分子材料或混合介质中传输，都传输属于典型的带状线结构，具体见图1：

图1 传输线类型

3 高分子材料Dk值测试方法

3.1 测试工具设计

高速背板连接器信号完整性仿真中，高分子材料的Dk值设置的准确性直接影响信号完整性仿真结果；而目前材料供应商提供的物性表中的Dk值主要通过谐振腔体法测试得到，一方面测试频点少、测试频点低，不能与实际应用环境相匹配，另外一方面，因为应用场景发生变化，材料供应商提供的Dk值并不能直接带入，通过多次仿真与实测对比，发现偏差较大。为了提高前期仿真的准确性，需要有一种符合连接器结构特点的测试方法来重新定义高分子材料的Dk值。

要提取高分子材料的Dk值，需要设计一套专用测试夹具（见图2），这套测试夹具由高频头、测试材料测试片、金属底座和传输线组成。

图2 专用测试夹具结构示意图

为保证专用测试夹具提取的Dk值与实际使用的一致性，传输线上下两侧被设计为被测试高分子材料用专用模具制作成的特定形状，以保证传输线在夹具结构中设计与连接器实际结构的带状线类似（见图3）。

图3 专用传输线结构示意

3.2 专用工具测试

通过使用网络分析仪来测试专用夹具（见图3）内传输线阻抗，测试频率可自行设置，得到在这个测试频点该传输线的THRU测试结果（见图4）；

图4 测试夹具示意图

测试结果导入PLTS得到该测试频点传输线的特性阻抗值（见图5）。

图5 夹具测试结果

4 建立仿真模型回归验证

接下来将建立该结构仿真模型（见图6）导入ANSYSElectronics，设置仿真频率为之前测试时设置的测试频率，仿真得到TDR结果（见图7）。

图6 仿真模型

图7 仿真模型结果

对比专用夹具用网络分析仪测试结果，通过调整材料Dk值，仿真结果和专用夹具测试结果趋于一致时即可提取到该频点材料Dk值，用这样的方法，我们可以这个材料得到多个频点的Dk值，这些单个频点测试值在ANSYSElectronics中通过材料设置Multipole Debye Model模式（图8）带入仿真，能得到比单个频点更准确的仿真结果。

图8 材料Dk值设置说明

5 材料Dk变化的其他影响因素

目前，高速背板连接器机构中，信号走线大部分是通过高分子材料作为框架来固定信号走线，考虑到Dk、Df值及成型薄壁细小结构需要的高流动性，常常采用的是液晶高分子聚合物LCP，但这款材料也有一个我们非常不喜欢的地方，就是材料呈现明显的各向异性，这个特性导致该材料的Dk、Df值也会呈现这样的变化规律，见图9所示。

图9 LCP多个牌号DK、Df流动方向与剪切方向对比值（3GHz）

按照厂家提供的测试值，在3GHz时常规使用的E130i在流动方向和剪切方向Dk值差异有0.7，这个变化值在仿真时会带入一个非常大的阻抗变化，这在我们后续56Gbps以上传输速率的高速连接器中是完全不可接受的（图10）。

图10 Dk值在3.0和3.7仿真TDR结果对比

高速背板连接器中模块组件是信号走线所在的金属零件先通过冲压模具冲压成型，然后电镀需要电镀的区域，电镀完成后通过塑封模具将信号簧片和用来固定的高分子材料结合起来；塑封时，模块组件结构不同、固定走线用高分子材料选用材料牌号不同、塑封组件浇口位置不同等都会导致高分子材料整体填充路径不一样（见图11）。

图11 模块组件高分子材料填充示意图

模块组件填充图能够非常清晰的看到模块组件结构不同位置呈现不同的填充结构，有的位置是流动方向，有的位置是剪切方向，但更多的地方是两者混合结构，针对这种混合结构仿真参数设置对仿真结果的准确性至关重要。目前，普遍的做法是采用流动方向和剪切方向的均值来进行仿真，这样的做法和实际情况略有偏差但尚在可接受范围。