BENCHMARK Crosstalk (NEXT,FEXT)

ALLGEMEINES

Durch die zunehmende Leiterbahndichte auf Printed Circuit Boards (PCB’s) und vor allem auf Substraten wie sie bei „System in Package“ (SIP) verwendet werden, gewinnt der Effekt des Übersprechens zwischen Leiterbahnen (Crosstalk) zunehmend an Bedeutung.

Im Zuge dieses Benchmark wurden Untersuchungen zu „Near End Cross Talk“ (NEXT) und „Far End Cross Talk“ (FEXT) durchgeführt. Dafür wurden Strukturen gefertigt, welche bezüglich ihren Abmessungen so nah wie möglich an realen Strukturen, wie sie z.B. auf Substraten bei SIP vorkommen, angelehnt sind.

Die Test-Strukturen wurden mit speziellem Mess-Equipment gemessen und die Ergebnisse mit den entsprechenden 3D Feld-Simulationen, durchgeführt mit der Simulations-Software HFSS von der Fa. Ansoft, verglichen.

MESSSTRUKTUREN

In den Abbildungen 1(a) und 1(b) sind die Strukturen „NEXT“ (a) und „FEXT“ (b) dargestellt.

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Benchmark-Strukturen NEXT und FEXT

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Um den Einfluss von SMA – Steckern zu vermeiden wurden die Leiter mit Pads versehen um eine Kontaktierung mittels Messspitzen zu ermöglichen. Diese bieten den Vorteil, dass eine Kalibrierung bis zu den Pads der Leiter möglich ist und somit in die Messergebnisse auch wirklich nur die Geometrie des zu untersuchenden Messobjektes eingeht.

Die minimale Pad-Grösse ergibt sich aus dem Pitch-Abstand der verwendeten Messspitzen, welcher bei den verwendeten Probes 50µm beträgt. Dies entspricht auch dem kleinsten Leiterbahnabstand welcher durch das nass-chemisches Ätzverfahren noch hergestellt werden konnte.

Pads der Struktur "Next"

Pads der Struktur „Next“

Da bei der Near End-Messung die Pads an denselben Leitungsenden platziert werden müssen, ergibt sich aus deren Geometrie ein Leitungsabstand von 350µm.

Die Pads wurden mit drei Vias zur Ground-Plane kontaktiert.

Pads der Struktur "FEXT"

Pads der Struktur „FEXT“

Bei der Far End-Messung liegen die Kontaktierungs-Pads an gegenüberliegenden Enden. Daher tritt kein Platzproblem auf  und die Pads können größer dimensioniert werden. Es werden fünf Vias zur Durchkontaktierung verwendet.

DIMENSIONIERUNG UND MATERIALEIGENSCHAFTEN

„NEXT“ – Struktur

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Layerstack der Leiterplatten

  • Material: FR4
  • Leitungsbreite W= 0,100mm;
  • Leiterlänge L= 30.000mm;
  • Leiterdicke T=0.035mm;
  • Lagenhöhe H=0.300mm;
  • Leitungsabstand: 350µm
  • Permittivität: 4,0 und 0.018
  • Oberfläche: Chemisch Gold ca. 3-5µm Ni / ca. 0.1µm Au
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Abmessungen „NEXT“ – Struktur

„FEXT“ – Struktur

6

Layerstack der Leiterplatten

  • Material: FR4
  • Leitungsbreite W= 0,100mm;
  • Leiterlänge L= 30.000mm;
  • Leiterdicke T=0.035mm;
  • Lagenhöhe H=0.300mm;
  • Leitungsabstand: 50µm
  • Permittivität: 4,0 und 0.018
  • Oberfläche : Chemisch Zinn
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Abmessungen „FEXT“ – Struktur

Die Leiterlängen betragen für beide Strukturen 30mm. Bei der „NEXT“ – Struktur sind beide Leiter über deren gesamte Länge parallel geführt. Bei der „FEXT“ – Struktur sind beide Leiter nur über 20mm parallel geführt mit jeweils 10mm „Zuleitung“ zu den Mess-Pads.

MESSAUFBAU

Der Messaufbau bestand aus einem 2-port Vector Network Analyzer (VNA) von Rohde & Schwarz, einem Spitzenmessplatz von SüssMicrotech und den dazugehörigen Messspitzen von ZProbe.

Gemessen wurde im Frequenzbereich von 1 MHz bis 8GHz mit 2001 Messpunkten.

Messaufbau, VNA, Messkabel, Spitzenmessplatz mit Messspitzen

Messaufbau, VNA, Messkabel, Spitzenmessplatz mit Messspitzen

VERWENDETE MESSGERÄTE

VNA ZVC von Rohde & Schwarz, 2-port, 20 kHz bis 8 GHz
Süss Microtech Spitzenmessplatz P5
ZProbe Messspitzen, DC bis 40 GHz, 50µm Pitch

KALIBRIERUNG DES MESSAUFBAUS

Die Kalibrierung des Messaufbau erfolgt mittels speziellem Cal-Substrat welches die benötigen Standards für eine TOSM-Kalibrierung enthält (short, open, load, thru).Dadurch ist sichergestellt, dass das Messsystem bis an die Spitzen der Probes kalibriert ist.

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Messspitzen auf Messsubstrat

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Spitzen auf Cal-Substrat Thru-Standard

Es wurde eine 2-port TOSM Kalibrierung zur Systemfehlerkorrektur durchgeführt.

Power: -5dBm
IF – Bandwith: 1kHz
B: 1MHz – 8GHz
Pkt. 2001

MESSUNG „NEXT“ – Struktur

Messung der "NEXT" - Struktur

Messung der „NEXT“ – Struktur

Spitzen auf Messpads "NEXT" - Struktur

Spitzen auf Messpads „NEXT“ – Struktur

MESSUNG „FEXT“ – Struktur

Messung der "FEXT" - Struktur

Messung der „FEXT“ – Struktur

Spitzen auf Messpads "FEXT" - Struktur

Spitzen auf Messpads „FEXT“ – Struktur

SIMULATIONEN

Die Strukturen „NEXT“ und „FEXT“ wurden mittels ANSOFT HFSS, Version V10.1 nachgebildet und simuliert. Als Ausgabeparameter wurden S- und Z-Parameter gewählt.struktur_fext1b11bb02011fb6ceba4af

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Messergebnisse der „FEXT“ – Strukur

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur 3 S11, S22 in dB und Phasen

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur 3 S11, S22 in dB und Phasen

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur 3 S12, S21 in dB und Phasen

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur 3 S12, S21 in dB und Phasen

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur und Simulationsergebnisse mit Epsilon r 4.0 und 4.4

Messergebnisse „FEXT“ – Struktur und Simulationsergebnisse mit Epsilon r 4.0 und 4.4

Es wurden drei verschiedene Prints mit demselben Strukturaufbau gemessen („FEXT“) um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu verifizieren. Wie aus den folgenden Abbildungen zu erkennen ist, stimmen die Ergebnisse sehr gut überein. Die auftretenden Differenzen sind auf die Fertigungstoleranzen beim Herstellen der Strukturen zurückzuführen.

Dasselbe gilt für den Strukturaufbau „NEXT“. Hier wurden zwei Geometrien miteinander verglichen.

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Vergleich der Messergebnisse S11, S22 und phase dreier Strukturen mit dem Aufbau „FEXT“

Vergleich der Messergebnisse S12, S21 und phase dreier Strukturen mit dem Aufbau „FEXT“

Vergleich der Messergebnisse S12, S21 und phase dreier Strukturen mit dem Aufbau „FEXT“

MESSERGEBNISSE „NEXT“ Struktur

Messergebnisse „NEXT“ – Struktur S11, S22 in dB und Phasen

Messergebnisse „NEXT“ – Struktur S11, S22 in dB und Phasen

Messergebnisse „NEXT“ – Struktur S12, S21 in dB und Phasen

Messergebnisse „NEXT“ – Struktur S12, S21 in dB und Phasen