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고속 커넥터시스템 디자인

커넥터 디자인

디자인 요소

  디자인 요소가 결과를 결정한다.
  전기적 요구 사항이 다음을 만족하는가?

신호 대 그라운드 비

  신호 대 그라운드 비는 크로스톡, 임피던스 제어, density, mode conversion 등의 주요 키 이다.

SI 저하 원인(source)

• 표면 실장 패드, 프레스핏 비아, 매이팅 인터페이스, 에지 카드 컨택 패드 등 인터페이스
• 리드 프레임 지오메티리 변환
• 메카니컬 특징
• PCB 물질, 스텁, 표면 roughness, weave, routing

전송선과 전송선 모드

Simple 전송선

• 도체 2개, 전송선 모드 1개

Complex 전송선 구조

• 도체가 다중 신호 또는 그라운드로 할당된다.

• 예: 도체 3개
  2개의 전통적 전성선 모드
  differential mode(의도 된 모드)와 common mode(의도 되지 않은 모드)

• 더 많은 도체는 일반적으로 원치않은 더 많은 모드를 만든다.
  2 그라운드(G1, G2)는 전송선 모드를 지원할 수 있다.
  가능한 한 간단한 전송선 구조를 유지하도록 노력한다.

해야할 것

타겟 정의:

• L과 C 디자인(slow speed serial links) → impedance와 prop dleay 디자인(faster links)

• 요즘 links는 시스템 혹은 채널 디자인 접근법이 요구된다. 이런 타입의 접근법은 링크 있는 부품(요소)의 성능을 기술하기 위해 s-parameter 모델을 사용한다. 궁극적으로 이것은 링크 자체를 eye opening과 BER(bit-error-rate)을 보면서 분석하는데 사용된다.

• 비아, 전송선, 런치 패드 등 모두가 커넥터와 상호작용하기 때문에, 이런 아이템은 같은 데이터 레이트에서 살펴 보아져야 한다. 이것들은 모두 커넥터 디자인과 상호작용해서 시스템 성능에 인터랙티브한 영향을 준다.

가장 중요한 것(항상 trade-off 관계에 있다):

• 임피던스 제어/크로스톡/손실 등은 대역폭,I/L, R/L, noise와 직접적인 관련이 있다.

• PCB 비아, routability, 전송선 길이 같은 외부 요소는 고속에서 커넥터 성능에 중요한 역할을 한다. 그래서 디자인 분석에서 배제될 수 없다.

간단히 말해, 모든 것이 중요하다.

지터와 지터 소스

• 이벤트의 예상 시간과 실제 사이의 차이는 시간 축에서 eye를 닫는다.

• 고속 어플리케이션은 long highly dispersive channel로 구성될 수 있다.
  - I/O’s : Connectors, Cabbles, PCB’s at both ends
  - Backplane: Connectors/vias, long PCB runs, 직각, 메저닌 구조

• 지터는 “dispersive” 채널 특성의 결과이다.
  - dispersive channel: 주파수 의존적 행동을 하는 채널
  - 주워진 s-parameter가 만들 dispersion의 양을 이해 하려면, 신호의 context와 그것과 관련된 대역폭과 인코딩(8B10B, 64-66)이 보여져야 한다.
  
  

기존 기술 차용

• 새로운 커넥터를 디자인 할 때, 기존의 디자인을 차용해서 디자인 골을 만족할 수 있다. 이것은 툴링/제조 비용을 절감해 준다.

• 예: VHDM 백플레인 제품은 현재 differential과 single ended system 어플리케이션에 모두 사용되고 있다. 더 빠른 differential 제품에 대한 시장 요구에 답하기 위해서, 이 기본 디자인을 변경해서 최대 differential 성능을 낸다.

새로운 기술 창조

• 때로는 기존 기술이 한계까지 가 있는 경우가 있다. 디자인 요구를 채우기 위해서 “clean paper” 디자인 접근이 종종 필요하다.

• 예: 시장은 매우 빠르고, 잘 균형맞고, 크로스톡이 적은 differential 커넥터를 원한다. 시장 요구에 따라서 고속 성능과 줄어든 노이즈 등을 갖도록 plated plastic을 활용한 새로운 제품이 개발되었다. 

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.

고속 커넥터시스템 디자인

테스터 픽스쳐 디자인

디자인 검증:

• 디자인이 일단 만들어지면, 테스트 픽스쳐가 디자인 되고 만들어져 커넥터 성능을 검증한다. 많은 종류의 픽스쳐가 있지만, 우리 논할 것은 인터커넥트를 테스트하기 위해 디자인 되자인된 것이다. 시스템 레벨 테스팅은 다른 종류의 픽스쳐에서 실행될 필요가 있다.
• 테스트 보드가 데이터 정확도의 키 이기 때문에, 사용될 보드 물질의 전기적 성능을 이해하는 것은 중요하다. 모든 물질이 고속 측정에 적합한 것은 아니다.

PCB 물질:

• 주파수 vs. 손실
  - 1GHz 이하 대역폭
  copper 손실이 주요하다.
  Skin effect 손실은 주파수의 제곱근에 비례한다.
  - 1GHz 이상 대역폭
  유전 손실이 copper 손실을 압도한다.
  매우 높은 주파수에서 전류 crowding은 이떤 지오메트리에 영향을 줄 수 있다.
• 고주파에서 유전 물질의 성능은 큰 영향을 준다.

FR406 vs. Nelco 13SI

• 벤더와 규정 방법에 따라 표준 FR4 손실 탄젠트는 0.035에서 0.012의 범위를 갖는다.
  이것은 매우 큰 범위이다.
  규정은 종종 보증되지 않는다.
• Nelco 13SI는
  보증된 속성을 제공한다.
  손실 탄젠트가 0.009이다.
  40% 정도 더 비싸다

12인치 스트립라인에서 Insertion Loss 대 물질

R406 vs. Nelco 13SI 결론

• 2GHz 이하에서 손실 차이가 최소이다(< -0.083 dB/in)
• 2.5와 3.125 Gbps 데이터 레이트에서 최소 성능 향상
• 5와 10Gbps 데이터 레이트에서 성능 향상(>0.166 dB/in)을 볼 수 있다. 

최종 테스트 픽스쳐:

최종 픽스쳐는 6층 buried microstrip 디자인을 사용해서 만들어졌다. 테스트 대역폭을 확장하기 위해서 소유중인 SMA 런치가 사용되었다. 게다가 픽스쳐에 캘리브레이션 트레이스를 포함해서 픽스쳐 손실을 정의하고 전체 측정에 기여를한다.

디자인의 일부로서 모델링

모델링은 결정적이다:

• 디자인의 복잡성 때문에 모델링은 디자인 사이클에서 결정적이다.

• 많은 종류의 모델링 소프트웨어가 오늘날 존재하고 작게는 $5,000부터 $80,000에 구입할 수 있다.

• 고속 디자인을 위해, 지금 말한 것 같은 대한 full structure modeler는 3D로 맥스웰 방정식을 푼다.

• Ansoft HFSS와 CST Microwave 같은 전형적인 3D 모델 패키지는 오늘날의 어려운 고속 디자인을 다룰 수 있는 2개의 소프트웨이이다.

• 모델링에 관한 하나의 key fact: 모델은 그것이 어떻게 설정되었느냐에 따라서 바를 수도 혹은 바르지 않을 수도 있다.

• 기본 엔지니어링 원칙을 이해하고 적용하는 것을 대체할 수 있는 것은 없다.

디자인이 끝나고 데이터가 수집된 후에, 최종 제품이 디자인 골에 얼마나 가까운지 보기 위해 사후 검사가 수행된다.

출처: High-Speed System Design. Published by molex