使用介質(zhì)波導(dǎo)的低功率、高速多通道芯片到芯片接口的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的具體實(shí)施例涉及一種在印刷電路板（PCB，PrintedCircuitBoard)上傳 播信號(hào)的波導(dǎo)（waveguide)。
【背景技術(shù)】
[0002] 有線通信中對(duì)于帶寬（bandwidth)持續(xù)增加的需求使得高速、低功率、低成本的 輸入輸出端口（I/O)成為必要。因高頻率中趨膚效應(yīng)（skineffect)而引起的現(xiàn)有銅導(dǎo)線 互連（interconnect)中的大幅衰減（attenuation)限制了這種系統(tǒng)性能。接收器功率中 的代價(jià)（penalty)、成本和區(qū)域發(fā)生以用于補(bǔ)償互連中的損失，且隨數(shù)據(jù)率或傳輸距離增加 而呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。使用介質(zhì)作為傳輸通道的新芯片到芯片（chiptochip)接口被提出以 用于解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例公開了一種電纖維，用于收發(fā)器輸入輸出間板到板互連， 所述電纖維包括：介質(zhì)波導(dǎo)，從發(fā)射器側(cè)板向接收器側(cè)板傳播信號(hào)；以及金屬包覆，包裹所 述介質(zhì)波導(dǎo)。
[0004] 為了所述介質(zhì)波導(dǎo)和微帶電路間阻抗匹配，所述介質(zhì)波導(dǎo)的兩端中的至少一端逐 漸變細(xì)。
[0005] 所述介質(zhì)波導(dǎo)兩端中的至少一端被線性成型以最優(yōu)化具有最大功率傳輸效率的 所述介質(zhì)波導(dǎo)的阻抗。
[0006] 所述金屬包覆包括銅包覆。
[0007] 所述介質(zhì)波導(dǎo)的兩端側(cè)與所述發(fā)射器側(cè)板和所述接收器側(cè)板垂直耦合。
[0008] 所述金屬包覆的長(zhǎng)度與所述介質(zhì)波導(dǎo)的長(zhǎng)度的比例基于所述電纖維的長(zhǎng)度而設(shè) 計(jì)。
[0009] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例公開了一種具有電纖維的板到板互連裝置，所述互連裝置 包括：電纖維，利用金屬包覆從發(fā)射器側(cè)板向接收器側(cè)板傳播信號(hào)；以及微帶電路，利用微 帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換MWT與所述電纖維相接。
[0010] 所述互連裝置進(jìn)一步包括：微帶饋線，用于在第一層中將所述信號(hào)反饋至所述微 帶電路；溝槽接地面，包括溝槽，用于在第二層中最小化逆向傳輸波與正向傳輸波的比率； 接地面，包括一組導(dǎo)通孔，用于在第三層中在所述溝槽接地面和所述接地面間形成電連接； 以及貼片，用于以共振頻率發(fā)射信號(hào)。
[0011] 其將被理解為前述一般性說(shuō)明和下述詳細(xì)說(shuō)明是示例性和說(shuō)明性的內(nèi)容，且意在 提供所要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 包含于此用于提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解且結(jié)合于此并構(gòu)成本說(shuō)明書一部分的附 圖，詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施例，且與詳細(xì)說(shuō)明一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0013] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的等軸透視圖。
[0014] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的整體互連的簡(jiǎn)易模型以作為二端口 網(wǎng)絡(luò)（2-Portnetwork)以及在每個(gè)轉(zhuǎn)換中反射波和透射波間的關(guān)系。
[0015] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的分析估計(jì)和模擬結(jié)果的圖表。
[0016] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的分析估計(jì)和模擬結(jié)果的圖表。
[0017] 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的群延遲（GroupDelay)的分析估計(jì)和模 擬結(jié)果的圖表。
[0018] 圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換的側(cè)視圖。
[0019] 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換的前視圖。
[0020]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換的分解視圖。
[0021] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的具有金屬包覆和錐形（tapered)波導(dǎo)的 不同長(zhǎng)度的電纖維的等軸視圖。
[0022] 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的板到波導(dǎo)連接器的等軸視圖。
[0023] 圖11是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的模擬結(jié)果的圖表。
[0024] 圖12是示出針對(duì)65GHz通道的PAM428GbpsPRBS214-1的眼圖的模擬結(jié)果的圖 表。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，其示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施 例。然而，本發(fā)明也可用多種不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)且并不局限于在此所列舉的實(shí)施例。更進(jìn) 一步來(lái)講，這些示例性實(shí)施例被提供以使本公開充分，且對(duì)于本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員 而言能完全理解本發(fā)明的范圍。在附圖中，層和區(qū)域的尺寸和相對(duì)尺寸可被放大以更清楚 地進(jìn)行顯示。本附圖中的相似參考符號(hào)表示相似的要素。
[0026] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例可提供一種改進(jìn)的互連來(lái)代替電線線路?？商峁┮环N例如 名為電纖維的新型介質(zhì)波導(dǎo)（dielectricwaveguide)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線路。電纖維可被 定義為具有金屬包覆（metalcladding)的介質(zhì)波導(dǎo)。
[0027] 具有頻率獨(dú)立衰減（attenuation)特性的介質(zhì)用很少或即使不用任何額外的接 收器側(cè)補(bǔ)償（receiver-sidecompensation)就能實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率傳遞。并聯(lián)通道數(shù)據(jù)傳遞 因電纖維和PCB的垂直親合（verticalcoupling)可被實(shí)現(xiàn)。在收發(fā)器I/O中用于板到 板互連的具有電纖維的PCB可被定義為板到板互連裝置。例如，該互連裝置可包括電纖 維（electricalfiber)、發(fā)射器側(cè)板（transmittersideboard)、接收器側(cè)板（receiver sideboard)、板到纖維連接器（board-to-fiberconnector)、微帶饋線（microstrip feedingline)、溝槽接地面（slottedgroundplane)、接地面（groundplane)和貼片 (patch)〇
[0028] 提供了一種新型板到纖維連接器用以安全地將多個(gè)電纖維互相緊密地安裝到PCB 以最大化區(qū)域效率。電纖維的物理柔性（flexible)特性可支持在任何位置自由地與任意 終端相連接。電纖維的金屬包覆與電纖維的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)可維持總收發(fā)器功率消耗。包覆可隔 離代表性引起帶寬限制問(wèn)題的其他無(wú)線通路和相鄰電纖維間信號(hào)的干擾。
[0029] 可采用槽隙耦合貼片型微帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換來(lái)最小化微帶和波導(dǎo)間的反射。微帶到波 導(dǎo)轉(zhuǎn)換可將微帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)信號(hào)，且由于其能用一般PCB生產(chǎn)工藝中來(lái)獲取因此具有 低成本的優(yōu)勢(shì)。
[0030] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的等軸透視圖。
[0031] 參考圖1，本發(fā)明示例性實(shí)施例的整體互連可用等軸透視圖來(lái)示出。圖1示出 用作為板到板互連的電纖維101。入射信號(hào)來(lái)自發(fā)射器裸片（die) 102的50-Ohm相配 的輸出以沿傳輸線103傳播且然后在發(fā)射器側(cè)板上的微帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換104(例如，MWT， Microstrip-to-WaveguideTransition)可將微帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)信號(hào)。波例如波導(dǎo)信號(hào)， 沿電纖維101傳遞且然后在接收器側(cè)板的MWT105中被轉(zhuǎn)換為微帶信號(hào)。同樣地，信號(hào)可沿 傳輸線106傳播且然后進(jìn)入50-0hm相配的接收器輸入107。在此，介質(zhì)波導(dǎo)可從發(fā)射器側(cè) 板向接收器側(cè)板傳播信號(hào)。
[0032]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的整體互連的簡(jiǎn)易模型以作為二端口 網(wǎng)絡(luò)以及在每個(gè)轉(zhuǎn)換中反射波和透射波間的關(guān)系。
[0033] 在電纖維的每個(gè)端側(cè)，阻抗不連續(xù)（impedancediscontinuity)可導(dǎo)致從傳輸線 到波導(dǎo)和從波導(dǎo)到傳輸線中能量的低效率傳輸。為了分析這種不連續(xù)的影響，如圖2,按方 程式1、2和3所示，整體互連可被考慮作為簡(jiǎn)易二端口網(wǎng)絡(luò)。 「00341 「方稈式11
[0040] 在從傳輸線向波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換中，傳輸線側(cè)和波導(dǎo)側(cè)的入射波可分別表不為和w' 且反射波可表示為w+和同樣地，在從波導(dǎo)向傳輸線的轉(zhuǎn)換中，波導(dǎo)側(cè)和傳輸線側(cè)的入 射波可表示為，和《i。且反射波可表示為，和》4。從這個(gè)簡(jiǎn)易模型中，假設(shè)在從傳輸線 向波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換中復(fù)數(shù)反射系數(shù)是n 且復(fù)數(shù)透射系數(shù)是~ ,在從波導(dǎo)向傳輸線的轉(zhuǎn) 換中復(fù)數(shù)反射系數(shù)是r2 且復(fù)數(shù)透射系數(shù)是,反射波和透射波之間關(guān)系的方程 式可被做出。
[0041] 下述方程式表示出整體互連的散射矩陣（例如，S-參數(shù)）。
[0042][方程式4]
[0043]
[0044][方程式5]
[0052] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的分析估計(jì)和模擬結(jié)果的圖表。 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的分析估計(jì)和模擬結(jié)果的圖表。圖5是 示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的整體互連的群延遲（GroupDelay)的分析估計(jì)和模擬結(jié)果的圖表。
[0053] 圖3、圖4和圖5可示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例構(gòu)建的整體互連的S-參數(shù)的分 析估計(jì)結(jié)果的圖表。例如，圖3、圖4和圖5可圖表示出上述方程式5、方程式6、方程式7和 方程式8且從不同情形的波導(dǎo)長(zhǎng)度（例如5厘米和10厘米）中表明這種結(jié)果。上述每個(gè) 結(jié)果可與來(lái)自3D電磁場(chǎng)模擬工具（Ansys.HFSS)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。
[0054] 圖3、圖4和圖5可表明在整體互連的S-參數(shù)和群延遲的結(jié)果中存在依賴于波導(dǎo) 長(zhǎng)度的振蕩（oscillation)。波導(dǎo)越長(zhǎng)，顯示的振蕩的影響越嚴(yán)重。如果眼圖被用作為評(píng)價(jià) 該傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，振蕩會(huì)在眼開和零交叉中產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至可是比特誤差率（bit errorrate)增加的主要原因。
[0055] S-參數(shù)和群延遲結(jié)果中的振蕩可由在阻抗不連續(xù)中發(fā)生的反射波沿傳播而經(jīng)受 微小衰減這一事實(shí)而引起且其可產(chǎn)生與發(fā)生在空腔諧振器（cavityresonator)類似的現(xiàn) 象。波在電纖維中可來(lái)回反彈且強(qiáng)化駐波（standingwave)。
[0056] 用于解決這種問(wèn)題的策略如下：第一，使反射系數(shù)r2盡可能低；第二，在確保相對(duì) 小的通道損失的同時(shí)沿電纖維產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃p；第三，使用低介電常數(shù)材料作為波導(dǎo)。這些 策略可通過(guò)上述方程式5、6、7和8而被證明。因此，MWT可是本發(fā)明示例性實(shí)施例的客體 以用于提供較低反射r2。
[0057] 圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換的側(cè)視圖。圖7是示出 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建的波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換的前視圖。
[0058] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例構(gòu)建的MWT的側(cè)視圖且圖7示出根據(jù)本發(fā)明示 例性實(shí)施例構(gòu)建的MWT的前視圖。具有金屬包覆601、701的電纖維604、704與微帶電路相 接，尤其是與安置在板上的貼片元件603、703相接。在此，金屬包覆601、顯示屏701可包裹 介質(zhì)波導(dǎo)602、70