如何实现高速连接器信号完整性分析？

 前言 

随着5G、AI、云计算、数据中心以及高性能计算等技术的兴起，互连系统中数据传输带宽逐渐增加，连接器作为整个互连系统的关键器件，对提高互连系统传输带宽至关重要，也是整个系统的传输瓶颈。对高速连接器实现3D建模与分析，提取S参数，准确分析其插入损耗、回波损耗、串扰等信号完整性性能，可有效提高连接器的传输性能，从而提升整个互连系统的传输能力。  

     本文主要使用芯和半导体Hermes平台演绎了“怎样对高速连接器与PCB进行3D建模和电磁分析，优化其信号完整性，从而提升高速连接器的传输能力。

Hermes平台简介

芯和半导体的Hermes平台中集成有Layered、3D与X3D三大流程，分别应用于不同的业务场景：

Layered流程主要针对各类封装、PCB和封装+PCB协同仿真流程，支持导入多种格式的Layout设计文件，包括Cadence的.mcm/.sip/.brd、ODB++以及GDS文件，同时提供了Lead Frame流程，可导入DXF文件进行建模；  

3D流程主要针对纯3D结构建模与仿真，支持导入SAT/STP格式文件进行建模仿真，支持SAT/STP文件与Layout设计文件协同建模与仿真，支持用户自定义3D模型进行建模仿真；  

X3D流程主要用于抽取3D模型的RLGC寄生参数。

Hermes 3D模块 高速连接器与PCB协同建模 仿真流程介绍

1.连接器SAT模型与PCB模型导入

本次应用案例主要使用Hermes 3D流程创建QSFP28连接器与PCB的联合模型进行电磁仿真，抽取S参数来分析连接器性能。 首先，在菜单栏选中Project->3D，创建Hermes 3D工程，如图1。

图 1 创建Hermes 3D流程

接着，在菜单栏选中Model->SAT，如图2，选中SAT文件，导入QSFP28连接器模型，在图3中进行SAT文件配置。

图 2 导入SAT文件

图 3 SAT配置界面

如下①~⑥条是对SAT配置界面进行说明： ①导入预览界面可以在左侧视图中旋转查看； ②Part列是识别到的所有结构体的名称； ③Material列是根据结构的所属材料进行显示，后续导入结构会按照此材料类型进行分类显示； ④Model列可以控制导入的模型，不勾选即不导入，重复点击model，可以控制所有结构勾选或不勾选的状态； ⑤Visibility列控制左侧界面中单个结构体的显隐； ⑥点击OK，完成此次模型导入。 接下来，导入PCB模型，在Project Manager窗口选中连接器模型，右键点击Attach加载PCB模型，如图4，PCB模型在Hermes Layerd流程处理之后导出成SAT模型，此处导入的SAT模型与上述导入的流程一致，此处不在赘述。

图 4 加载PCB模型

2.几何图形的材料设置

连接器与PCB模型导入之后，显示如图5，选中具体几何图形设置材料，如图6。

图 5 连接器模型与PCB模型导入

图 6 模型材料设置

3. 连接器与PCB模型装配

在Hermes 3D模块中可以使用Move功能将连接器模型与PCB模型进行移动和装配，实现连接器与PCB的联合建模，如图7。

图 7 连接器与PCB模型装配

4. 边界条件及端口设置

Hermes 3D流程中支持辐射边界条件、PEC边界条件、RLC边界条件和PML边界条件等多种边界条件。此案例中，使用辐射边界条件，在Project Manager窗口右键点击Boundary->Add Airbox来添加辐射边界，如图8。

图 8 添加辐射边界条件

在Hermes 3D中支持多种端口类型，如图9，用户可以自定义各种类型的端口。

图 9 端口类型

5. 求解条件设置

设置求解条件，如图10，Hermes具备Adaptive和Balance两种网格剖分策略：

Adaptive模式会根据计算的实际需要动态改变计算区域内的网格结构，在电磁场变化剧烈的计算区域，采用空间尺度较小的精细网格予以计算，在电磁场变化缓慢的区域，采用空间尺度较大的粗网格来计算，从而提高计算精度和计算效率。

Balance模式不参与求解器迭代，求解效率较高，适用于设计前期或者大尺模型计算求解。

勾选“Auto MPI”，求解器会自动调用MPI模块加速求解器计算效率。

图 10 求解条件

6. 查看仿真结果

仿真完成以后，在ProjectManager窗口点击Results，查看网格与S参数，如图11。

图 11 查看网格及S参数

总结

本文主要介绍了如何在Hermes平台中导入连接器的SAT模型与PCB完成联合建模，如何快捷编辑材料、边界条件、端口等属性，再利用Hermes的自适应网格剖分技术与有限元算法实现连接器与PCB的协同EM仿真，提取S参数，最终实现分析与优化连接器的信号完整性，提升连接器的传输速率。

审核编辑：汤梓红