PCIe Gen5 Card金手指仿真与设计(上)

金手指是沿着印刷电路板 （PCB） 的连接边缘看到的镀金柱。金手指的目的是将辅助PCB连接到计算机的主板上。PCB金手指还用于通过数字信号进行通信的各种其他设备，例如消费者智能手机和智能手表。金用于PCB的连接点，因为合金具有优异的导电性。

有两种类型的金适用于PCB金手指电镀工艺：

化学镀镍沉金（ENIG）：这种金比电镀金更具成本效益，更容易焊接，但其柔软，薄（通常为2-5u''）使ENIG不适合电路板插入和移除的磨蚀效果。

电镀硬金：这种金是实心（硬）和厚（通常为 30u''），因此更适合持续使用 PCB 的磨蚀效果。

金手指电镀过程涉及许多细致的步骤。这可确保从生产线上滚下来的每块电路板都配备适当的设备，以无误地传导信号。电镀过程中涉及的标准还有助于确保每个电路板上的金手指与给定主板上的相应插槽完美贴合.

为了确保所有这些金手指和插槽都完美贴合， 每个PCB必须通过一系列检查和缺陷测试.如果电路板上的镀金缺乏光滑度或不能充分粘附在表面上， 结果将不足以进行商业发布。

为了使PCB金手指走到一起， 电镀过程必须分步骤进行，首先完成电路板的周围细节.当需要电镀手指时，将镍涂在铜上。然后，最后涂覆表面光洁度。一切就绪后，在放大镜下检查电路板并进行附着力测试。

HOW ARE GOLD FINGERS USED?

金手指用作两个相邻PCB之间的连接触点。除了导电性外，黄金的目的是保护连接边缘在许多用途中免受磨损。由于硬金在其指定厚度下的强度，金手指使PCB可以在相应的插槽中连接，断开和重新连接多达1,000次。

金手指的功能是多用途的。使用任何给定的计算机设置， 由于PCB金手指，我们看到许多与计算机本身连接的外围设备。金手指的一些最广泛使用的用途包括：

互连点：当辅助PCB连接到主主板时， 它是通过几个母插槽之一完成的， 例如PCI， ISA或AGP插槽。通过这些插槽，金手指在外围设备或内部卡与计算机本身之间传导信号。

特殊适配器：金手指可以为个人计算机添加许多性能增强功能。通过垂直于主板的辅助 PCB，计算机可以提供增强的图形和高保真声音。由于这些卡很少是未连接和重新连接的，因此金手指通常比卡本身更耐用。

外部连接：已添加到计算机站的外围设备用PCB金手指连接到主板。扬声器、低音炮、扫描仪、打印机和显示器等设备都插入计算机后面的特定插槽中。这些插槽依次连接到连接到主板的 PCB。

GOLD FINGER SPECIFICATIONS YOU SHOULD KNOW

在PCB金手指电镀过程中， 必须遵守某些标准才能使手指正常工作。PCB本身的设计还必须考虑适当的手指长度和对齐所需的区域。无论PCB本身的用途或尺寸如何，以下规则始终适用于金手指的设计：

电镀通孔不应靠近金手指。

金手指不应与阻焊层或丝网印刷有任何接触，两者都应保持一定距离。

金手指必须始终朝向与PCB中间相反的方向（如果要斜面边缘）

如果在PCB金手指电镀过程中不遵循这些规则中的任何一个，PCB可能无法与父电路板通信。或者，PCB 可能无法正确安装到主板上的相应插槽中。

将金用于PCB上的连接手指的原因是由于该合金的优越强度和导电性。金的强度使手指可以插入和弹出数百次，而不会磨损连接触点。如果没有镀金的保护，电路板在使用几次后很容易被剥夺其连接功能。

为什么黄金胜过其他类型的金属?毕竟，黄金是最稀有和最昂贵的自然元素之一。用铜或镍电镀PCB的连接边缘是否更具成本效益？然而，金，对于印刷电路板所需的功能是必需的。

随着多氯联苯发展成现代形式，由于几个因素，金被确定为最合适的连接接触金属。金的主要优点是合金的导电性和耐腐蚀性。为了增加强度，印刷电路板中使用的金通常与镍或钴结合合金， 这使金在面对持续的 PCB 活动时具有进一步的耐磨性.对于电镀工艺，镍的厚度在 150 到 200 微英寸之间。

PCB金手指的生产标准由连接电子工业协会（IPC）于2002年制定。随着IPC-4556的发布，这些标准于2012年进行了修订。2015年，随着IPC A-600和IPC-6010的发布，这些标准再次进行了修订，这是目前PCB生产中应用最广泛的标准。IPC标准可总结如下：

化学成分： 为了沿PCB触点边缘获得最大的刚度，镀金应由5%至10%的钴组成。

厚度： 金手指的电镀厚度应始终在2至50微英寸的范围内。按尺寸划分的标准厚度为 0.031 英寸、0.062 英寸、0.093 英寸和0.125 英寸。较低的厚度通常用于原型，而较高的厚度则用于定期插入，拔出和重新插入的连接边缘。

视觉测试： 金手指应通过用放大镜进行的视觉测试。边缘应具有光滑、干净的表面，并且没有多余的电镀或镍的外观。

胶带测试： 为了测试镀金层与触点的粘合性，ICP建议进行测试，即沿触点边缘放置一条胶带。取下胶带后，检查条带是否有电镀痕迹。如果胶带上有任何明显的镀金，则镀层与触点一起缺乏足够的粘合性。

PCB GOLD FINGER BEVELING

在电路板上，PCB金手指电镀工艺用于阻焊层之后和表面光洁度之前。电镀过程通常包括以下步骤：

镀镍：首先将三到六微米的镍电镀到手指的连接器边缘。

镀金：在镍上镀一到两微米的硬金。黄金通常用钴增强，以提高表面电阻。

倒角：连接器边缘以指定的角度斜面，以便于插入相应的插槽。倒角通常以 30 到 45 度的角度进行。

在某些电路板上，某些金手指会比其他手指更长或更短。例如， 电路板的一端可能有更长的手指.这样， PCB更容易插入插槽， 因为带有较长手指的末端将更容易卡入到位。

电镀过程有一定的限制。例如， 金手指和电路板的其他部分之间需要一定的距离.主要限制包括：

沿PCB边缘的内层必须不含铜，以防止在坡口阶段暴露铜。

电镀孔、SMD和焊盘不应放置在金手指1.0毫米以内。

电镀垫的长度不能超过 40 毫米。

金手指和轮廓之间应存在 0.5 毫米的距离。

与印刷电路板上金手指周围的标准间距要求的任何偏差都可能导致卡物理薄弱或功能失调。

HOW GOLD FINGERS

ARE CHANGING THE WORLD

当今的计算机和移动设备变得越来越复杂，因为制造商竞相使其产品更快、更足智多谋。如果你建立一个大型计算机站并积累了少量移动设备，你很可能会让许多镀金电路板同时相互作用。每次打印文章或扫描照片以上传到社交媒体帐户时，信号都会从外围设备发送到主板卡，主板卡通过 PCB 接收这些信号。

在很大程度上，多亏了金手指技术，已经能够发展到现在数百万人每天使用的现代移动设备阵列。此外，金手指使各行各业变得比以往任何时候都更有生产力和能力。

A DETAILED GUIDE ON PCB GOLD FINGERS

英特尔在 PCIe 开发主板中实施 PCIe CEM 5.0 规范版本 0.7 中的以下准则。对于边缘手指设计，请遵循 PCIe CEM 5.0 规范。

确保在包括引脚 A12/B12 及更远的高速区域中，内层在边缘手指下方研磨。内层接地层必须从电路板的主布线区域延伸至边缘手指区域的整个长度。内层接地层必须至少位于边缘指铜下方 0.52 mm （20.5 mil）。此要求适用于附加卡的两面，因此使用对称的屏蔽平面对。

在包括引脚 A12/B12 及更远的高速区域中，沿边缘手指底部将一排电镀过孔连接到内层接地平面。这些过孔被称为指尖南通孔。过孔必须电镀通孔 （PTH）。您可以在附加卡两个表面上的接地垫之间共享它们。通孔焊盘的上边界必须与 3.20 mm 尺寸对齐。将“I bar”中的接地过孔与表面金属连接。

将服务于北边指接地导体的附加卡接地通孔与相邻边指之间的间隙对齐，以减少对从非接地边缘手指路由的信号的阻碍。北接地过孔的轴距离边缘指销场的边界不得超过 0.38 mm （15 mil）。将边缘手指连接到地面通孔，走线长度与通孔焊盘直径相匹配或超过通孔焊盘直径，以最大程度地减少接地连接的电感。

实施横向接地棒，以连接电路板两侧第一内层 （N-1） 上的所有指尖南通孔（例如金属 2）。接地棒必须与过孔的北边缘对齐，距离为 3.20 mm。接地杆应为 0.71 mm 宽，以确保与倒角区域有足够的间隙。

确保未分配给 A12/B12 及更高区域接地的边缘手指长 3.00 毫米，宽 0.60 毫米（±0.038 毫米）（请参阅指示边缘手指长度的附加卡边缘手指）。确保边指的上部比附加卡的南边缘高出 5.60 毫米（请参阅附加卡边缘手指指示边缘手指长度）。允许在边缘手指下端延伸 0.13 mm 的区域内有少量残留表面金属。

确保从辅助信号顶部或未使用的边指到端接电路中的隔直电容的走线长度尽可能短。PCI CEM 5.0 未指定最大跟踪长度。为边缘手指和隔直电容之间的走线保持42.5Ω走线阻抗。端接网络的接地通孔必须位于电阻元件焊盘或通孔的 1.0 mm （39.4 mil） 范围内。

HOW TO SIMULATION PCIE GNE5 CARD

PCIe Card，一端是金手指，一端是连接器焊盘，于仿真而言，处理方式是差不多的。

这种结构应该如何仿真，怎么仿真是精准的，怎么仿真是高效的，怎么仿真是可以接受的？

比较简便的方式肯定是在SIwave或者PowerSI中直接跑，但是这样就会存在准确度的问题。

准确的标准是什么？要说A不准，那肯定是要一个准确的B作为对照。因此，我们先来看准确的做法，得出这个参照物。

PCIe Card真实的工作环境是插在PCIe插槽里，金手指接触的面是插槽中的弯针。因此，准确的仿真肯定是要模拟真实的使用环境。那么，就需要在3D环境下建模。

细节处理如下，把弯针和焊锡的模型加上。

具体参数如何确定？很简单，弯针的尺寸及介质的参数可以去Q2D切一下。

扫描介电常数，得到85ohm阻抗的值。

设置好后，仿真结果如下：

TDR Port延伸可以看到模型阻抗为85ohm。

标准答案给了，但是要在3D环境里建模还是相对来说比较麻烦的，有没有比较简便的方法，可以让精度和效率在一个可接受的范围呢？

答案肯定是有的。

未完待续……