고속 커넥터 디자인 (25Gb/s에서는 모든 것이 다르다) 2/3

고속 커넥터시스템 디자인

어디부터 어떻게 시작해야 하나?

Step 1. 고객과 시장의 요구에서 시작한다:

• 새로운 제품의 전기적 요구사항을 이해한다.
• 트레이드 옵스 가 있다면 무엇이고, 어떤 요구가 반드시 만족되어야 하는가
• 현재 제품의 성능어 어디이고 그 제품의 한계는 어디인지 잘 이해하고 있어야 한다.
• 디자인과 관련된 어떤 새로운 방법들을 리서치한다. 이것은 디자인은 물론 모델링/테스팅의 범위도 포함한다.
• 디자인 골에 도달하는 것을 막는 방해물을 해결한다.

  일반적 엄지 규칙:

• 주파수 디자인 골로 “Nyquist”를 사용한다.
• Insertion Loss 디자인 골
  잘 행동하고
  선형이고, ILD(Insertion Loss Deviation)를 본다.
• Return Loss
  최악 경우: 12dB
  권장: 15 dB ~ 20 dB
• Crosstalk
  Far-end(FEXT): 30dB isolation
  Near-end(NEXT): 40dB isolation
• Mode Conversion: 30 dB

예: 디자인 골은 16Gbps 커넥터 인터페이스를 만드는 것이다. 이 속도에서 lab 측정은 어렵고 테스트 픽스쳐에 사용되는 현재의 SMAs가 상당한 픽스쳐 손실 없이 이 속도를 달성할 수 없다는 것을 알아야 한다. 엔지니어는 원래 커넥터 디자인 골을 달성하기 위해서 SMA 보드 런치를 향상시키는 방법을 찾아야만 한다. 이 향상 없이 취득된 데이터는 상당한 에러를 가질 것이다.

Step 2. 첫 번째 mechanical/electrical 컨셉 모델을 만든다.

디자인의 첫 단계는 컨셉 모델을 만드는 것이다. 최종 제품은 처음 것처럼 보이지 않을 테지만 첫번째 pass model을 단든다. 기구적 분석과 동시에 impedance, crosstalk, prop delay 등과 관련된 2D/3D 전기적 분석을 수행한다.

Step 3. 팀 컨셉 디자인 리뷰

제품이 진공에서 만들어지지 않기 때문에 모든 기본 원칙이 가능한 한 빨리 컨셉 디자인에 넣는 것이 키 이다. 일단 초기 컨셉이 만들어지면, 몰드 엔지니어링, 스탬핑, 어셈블리 툴링, 플레이팅, 품질, 마케팅으로부터 리뷰와 피드백을 받는다. 기구/전자 엔지니어는 드로 보드로 돌아가 이 피드백을 기록한다. 이런 과정은 제품 디자인 사이클 동안 여러번 반복 된다.

Step 4. 최종 디자인

많은 반복 후에 제품 디자인이 완료된다. 엔지니어는 인-하우스 또는 표준 테스트 픽스쳐로 부터 취득덴 데이터를 사용해서 디자인과 원래 요구사항을 검증해야만 한다. 커넥터의 전기적 특성을 정확히 반영하는 최종 모델을 만들어야만 한다. 이렇게 검증된 모델은 미래의 고객에게 전에서 그들의 시스템 분석에 사용된다.

Step 5. 표준 산출물

• 3D 커넥터 필드 솔버 모델
• 커넥터 s-parameter 모델
• 모델 문서
• 커넥터 테스트 픽스쳐(TRL 구조, 레퍼런스 트레이스)
• 모델 validation test summary
• Routing recommendation
• PCB footprint symbols
• 추가 문서(전 세대 혹은 다른 솔루션과의 비교, 어플리케이션 표준과 성능 비교)
• 커스터머 샘플 키트

자세한 인터커넥트 디자인 케이스 스터디

많은 복잡한 디자인 질문을 정의하는데 도움을 주기 위해, 현재 하나의 제품이 어떻게 만들어지는지 간단하레 살펴 본다.

시장 요구:

  시장은 다음 요구사항을 따르는 커넥터를 원한다:

• 줄어든 커넥터 공진(Insertion Loss, Crosstalk)
• differential impedance control: 100 ± 10 ohms @ rise time of 25ps or slower
• crosstalk -40dB 이하
• 개선된 routing ease
• contact 당 0.5A를 다룰 수 있음
• 프레스핏 보드 부착 요구

현재 제품 성능

제품(stacked SFP+) 컨셉: 현재 제품(stacked zSFP+)을 개량, 다음 영역을 조사할 필요가 있다.

• 더 나은 SI 성능과 라우팅을 위해 footprint를 개선한다.
• 커플링을 이해사고 그것이 성능과 어떻게 관련 있는지 이해한다.
  Insertion Loss, Crosstalk, Impedance/Return Loss
• 시간이 모든 디자인 반복의 리뷰를 허용하지 않더라도,  디자인이 외 그런지 하는 주석을 단다
• 아래 보이는 최종 제품 디자인은 기구/전자 엔지니어의 합작이다.

Footprint:

• 모델 데이터
• footprint만 변경 – no ZXP common grounds
• ICN(10Gbps)이 9.5 에서 3.3mVrms로 줄어든다.

디자인 구조:

기본 SI 모델은 “pinned” 디자인 컨셉에서 빌려왔다. 2D 모델은 초기에 실행되어 사용된 Er에 대해서 plated plastic housing과 신호 핀 사이의 디멘전을 결정한다. 기구/전기 간의 약간의 트레이드 옵스는 pin과의 간격 대 물질 폭/두께, 물질 유전 상수 대 물질 금형 능력 등 이다. 2D 모델은 임피던스 성능과 크로스톡을 예측한다.

엔지니어 디자인 문제 기술

• 2D 컨셉은 근사이다.
• Differential pair가 고체 플라스틱으로 과금형 되면 상호 커플링이 너무 커서 임피던스를 낮게 떨어트린다.
• 커넥터는 un-mate 되야야만 한다. 그래서 인터페이스 영역에서 디자인에 전기적 복잡성을 추가한다.
• 기구 엔지니어는 쉬운 조립과 금형 때문에 고체 플라스틱을 원한다.

이런 효과들을 분석하기 위해서 full 3D 모델을 평가할 필요가 있다.

경험 디자인을 사용하는 디자인 접근법:

• 더 이해력 있는 접근으로 trial and error를 대체한다.
• 궁극적으로 솔브 될 모델의 수를 줄인다.
• 솔수션에 대한 확신 감을 높인다.

최종 커넥터 디자인:

최종 웨이퍼 디자인:

위 그림은 조립 위험을 최소화 하고 전기적 임피던스 성능을 최대화 하면서 최족 기구/전기간 최종 타협을 보여준다. 

최종 인터페이스 디자인:

인터페이스에서 어떤 capacitive stub 효과를 최소화 하기 위해 좋은 물리적 인터페이스를 유지하는 범위 내에서 기구적 빔은 가능한한 짧게 유지한다.

Via 고려 사항:

비아 스텁은 전반적 전기 성능에서 중요한 역할을 한다. 아래는 다른 스텁 길이를 갖는 비아들이다. 어떤 비아가 성능이 가장 좋을까? 이유는?

시간 영역 임피던스에서 비아 스텁의 효과(아래 그림)

주파수 영역에서 비아 스텁의 효과(아래 그림)

비아 스텁 효과 줄이기

• plane을 void하고 unused anti-pads를 제거하므로써 sutb의 Z를 증가시킨다.

• 추천하는 anti-pads

• planes를 void해서 stub의 Z를 증가시키는 것이 약간 도움을 준다.

Differential mode 비아 성능

• mixed-mode s-parameter를 사용해서 differential I/L을 계산한다.