Yüksek hızlı yongalar arası baskı devre tabanlı iletim hattı geliştirilmesi
Development of a printed circuit based transmission channel between high-speed chips
Yazar: FURKAN AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ BOZBEY
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İlerleyen günümüz yarı iletken teknolojileri ile birlikte kısa sürede yüksek hızlarda veri işlenmesi ve transferi mümkün hale gelmiştir. Radar, uydu, cep telefonu, bilgisayar gibi bünyesinde birçok alt sistemi de barındıran ileri teknoloji ürünler; telekomünikasyon, savunma, uzay ve havacılık sanayisi gibi sektörlerde yüksek hızlı yongalardan oluşan karmaşık mimariler barındırmaktadırlar. Yüksek frekanslarda faaliyet gösteren elektronik ürünlerde; iletilen sinyalin güç kaybı, iletim hattındaki yansımalar, çapraz sinyal girişimi, elektromanyetik yayılım, sinyal üzerindeki gürültü gibi sinyal kalitesine etki eden parametreler tasarımın başarısız ya da düşük performanslı çalışmasına neden olabilmektedir. Tüm elektronik sistem mimarisinin omurgasını oluşturan baskı devre kartları ise sistem kararlılığı ve güvenilirliği açısından hayati önem taşımaktadır. Bu çalışmanın amacı; geliştirme aşamasında olan yüksek bant genişlikli yongaların hızlı ve ucuz maliyetli testlerini gerçekleştirebilmek amacıyla baskı devre tabanlı, slot geçişli test platformu geliştirilmesidir. Bu çalışma kapsamında; çok kanallı, 5 Gbps bant genişliğinde, yüksek hızlı yongalar için ara yüz tasarımı yapılmış, sistem bütünü seviyesinde yüksek hızlı ara yüzün S-parametre modellemeleri, Vektör Network Analizör (VNA) kalibrasyon ölçümleri, baskı devre kartı üzerindeki sinyal kalitesine etki eden faktörlerin modellenmesi ve test ölçümleri yapılmıştır. Tasarımı doğrulamak için 3 adet IPC-Class 3 kategorinde tasarlanan baskı devre kartı ürettirilmiştir. Tasarım ve üretim; yonga taşıyıcı kartı için slot ve RF konektör arayüzü sağlayan sırtlık kartı, yonga taşıyıcı kartı ve VNA ile ölçüm için gerekli 5 adet SMA konektör girişli test kartından oluşmaktadır. Yonga taşıyıcı kartı FR408HR dielektrik üzerinde 100 µm genişliğe, 15 µm kalınlığa sahip mikro şerit, 50Ω empedans kontrollü, 96 kanaldan oluşmaktadır. Kanal 77.45 mm mikro şerit iletim hattı için 2.5 GHz frekans bant genişliğinde -10 dB altı sinyal yansıma değerine (S11), -1.72 dB iletim hattı kaybına (S21) sahiptir. Kanal çıkışına 1 metre, maksimum 6 GHz bant genişliği destekli RF kablo eklenmesi dâhilinde iletim hattı kaybı -3.53 dB olmaktadır. Sinyal hattı üzerindeki yakın uç çapraz girişim gürültüsü (S31) -10 dB altında, uzak uç çapraz girişim gürültüsü -20 dB altında kalmaktadır. Çapraz girişime neden olan agresif kanal, sessiz sinyal hattına 7.5 mm uzunluk, 0.2 mm mesafe ile paralel olarak akupledir. Ölçüm bant genişliği 2.5 GHz olarak belirlenmiştir.

Abstract:
With today's advancing semiconductor technologies, it has become possible to process and transfer data at high speeds in a short time. Advanced technology products, such as radar, satellite, mobile phone, and computer, also hosts several sub-systems; those products contain complex architectures consisting of high-speed chips in telecommunication, defense, space, and aviation industries. In electronic products operating at high frequencies; the power loss of the transmitted signal, reflections in the transmission line, cross talk, electromagnetic propagation, and the parameters that affect the signal quality, such as noise on the signal, may cause the design to fail or operate with low performance. Printed circuit boards, which form the entire electronic system architecture's backbone, are vital in system stability and reliability. This study aims to develop a printed circuit-based, slot-pass test platform to perform fast and cost-effective high-bandwidth chips' tests under development. Within this study's scope, 5 Gbps multi-channel interface design for high-speed chips, system-level S-parameter modeling of the high-speed interface, calibration and measurement techniques with Vector Network Analyzer (VNA), modeling of factors affecting signal quality on the printed circuit board, and measurements were carried out. In order to verify the design, three configurations of printed circuit boards were manufactured complying with IPC-Class 3 requirements. Design and production consist of a backplane board that provides a slot connector and RF connector interface for the chip carrier board, a chip carrier board, and a test board with 5 SMA connector inputs required for VNA measurements. The chip carrier board consists of 100 µm wide, 15 µm thick, 50Ω impedance controlled, 96 channel microstrip line on FR408 dielectric substrate. The channel has a signal reflection below -10 dB (S11) and -1.72 dB insertion loss (S21) at 2.5 GHz frequency bandwidth for a 77.45 mm microstrip transmission line. The insertion loss is -3.53 dB when 1 meter long, RF cable with 6 GHz bandwidth support is added to the channel output. The measured near-end cross talk (S31) on the signal line is below -10 dB, and the measured far-end cross talk is below -20 dB. The aggressive channel causing cross-talk is coupled to the silent signal line 7.5 mm in length with a 0.2 mm air gap. The measurement bandwidth is set to 2.5 GHz.