CN101971716B - 10g xfp相容的pcb - Google Patents

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Abstract

本发明为一种特殊设计的PCB(11)，其允许以XFP标准中规定的方式使用XFP相容的收发器模块和EMI垫片，并产生与XFP标准相容的集成解决方案。各种几何特征被引入到PCB中，以实现改进，这些改进的组合产生符合XFP标准的集成解决方案。这些改进的特征的一部分包括：PCB的预浸料和其他层的特定厚度；PCB中特定部件的特定间距、尺寸和重量；连接到EMI垫片的第一层XFP笼状接地屏蔽(20)上的开口；在第二层(25)中围绕差分对信号走线(26)的安全接地走线(27)；在第三层(31)的铜中的、位于XFP笼状接地屏蔽和XFP连接器衬垫(12)之下的开口(32)；以及在XFP连接器和PHY连接器衬垫(15)处的接地过孔(14)。

Description

10G XFP相容的PCB
相关申请的交叉引用
该美国非临时专利申请并不要求任何美国临时专利申请或任何国外专利申请的优先权。
技术领域
在此进行的公开一般而言涉及光收发器模块。更具体而言，这里说明的发明是一种专用的印刷电路板(PCB)，其允许使用10Gbps小型封装可插拔(Small Form Factor Pluggable，XFP)相容的(compliant)收发器模块以及电磁干扰(EMI)垫片(gasket)。
背景技术
XFP是规定在光收发器模块与物理层(PHY)器件之间的机械和电学接口规格的标准。期望XFP相容，以确保消费者可以使用来自不同制造商的收发器。
各种XFP相容的收发器模块、连接器和测试PCB板从商业上可得。然而，当这些部件被集成到系统中时，得到的总体装置不与XFP相容。目前尚不知晓用于为线卡提供XFP相容的(XFP compliant)10Gbps光学端口的方案。
印刷电路板(PCB)使用走线(trace)来电连接不同的电子部件。走线是用来中继电信号的铜导电路径。走线被层压在不导电的基底上以形成PCB。不导电的基底可以包括玻璃或其他绝缘材料。
典型地，通过使用其中铜层覆盖整个基底的空白PCB并去除所有不想要的铜以形成铜走线，形成PCB。然而，在特定情况下，也可以将铜走线添加到基底来形成PCB。
过孔是穿过PCB的孔。过孔的壁被镀有铜，以电连接PCB的导电层。电子部件可以被附接到PCB的外表面上的衬垫。部件引线可以通过焊接而固定到板上。
电磁干扰(EMI)是由电磁辐射在电路中引起的扰动。该扰动可以中断或劣化电路性能。可以使用旁路电容器、电阻器、滤波、以及利用EMI垫片的屏蔽来最小化这些扰动。
线卡仅仅是在PCB上的将用户的电信线路连接到电信接入网的电子电路。顾名思义，收发器是同时具有发射器和接收器电路这两者的器件。差分对是在PCB上用于承载差分信号的导体。
在每秒10吉比特(Gbps)下，PCB中甚至是非常微小的非理想性都会对所产生的信号具有严重的影响。XFP规范需要这样的PCB封装(footprint)，所述PCB封装限制了崩落(break-out)的选择。接地屏蔽的存在防止了部件侧的布线崩落。接地附近的布线要求使阻抗不连续性和接地耦合最小化。
部件侧崩落的一种解决方案包括去除EMI垫片来避免与差分对接触。然而，阻焊剂倾向于随着时间而损耗，并且XFP接地屏蔽的紧密靠近也是要顾虑的问题。
焊接侧崩落解决方案是将过孔置入(drop in)在XFP连接器引脚场区域中，并在板的焊料侧布线。然而，过孔的不期望的且寄生的特性使得很难满足电学规范(也就是，回波损耗)。
因此，在现有技术中需要一种使用便于使用的、廉价的且有效的PCB互连，用于在10Gbps PHY与XFP收发器之间的满足XFP标准的所有要求的XFI接口。
发明内容
本发明的优选实施例涉及对网络终端卡的设计，该网络终端卡在其10Gbps光学端口中使用收发器。特别设计的PCB允许以XFP标准中规定的方式使用XFP相容的收发器模块和EMI垫片，并产生与XFP标准相容的集成解决方案。
各种几何特征被引入到PCB中以实现改进，这些改进的组合产生满足XFP标准的集成解决方案。这些改进的特征中的一部分改进包括：连接到EMI垫片的第一层XFP笼状(cage)接地屏蔽上的开口；围绕差分对信号走线的第二层中的保护接地走线；在XFP笼状接地屏蔽和XFP连接器衬垫(connector pad)下面的第三层的铜中的开口；以及在XFP连接器和PHY连接器衬垫处的接地过孔。
本发明的主要目的是提供一种功能性的PCB互连，用于在10GbpsPHY与XFP收发器之间的满足XFP标准的所有要求的XFI接口。
本发明的另一目的是提供一种成本有效的PCB互连，用于在10GbpsPHY与XFP收发器之间的满足XFP标准的所有要求的XFI接口。
本发明的另一目的是提供一种PCB互连，用于在10Gbps PHY与XFP收发器之间的满足XFP标准的所有要求的XFI接口，其可以将低成本的基底材料用于PCB，以保持器件符合目标定价。
本发明的又一目的是提供一种可靠的PCB互连，用于在10Gbps PHY与XFP收发器之间的满足XFP标准的所有要求的XFI接口。
附图说明
图1示出本发明的优选实施例的俯视图；
图2示出本发明的优选实施例的第二层的俯视图；
图3示出本发明的优选实施例的第三层的俯视图；以及
图4示出本发明的优选实施例的第四层的俯视图。
具体实施方式
图1示出本发明的优选实施例的俯视图。示出了PCB 11的第一层10。该第一层10在一端具有XFP连接器衬垫12。XFP连接器衬垫12是矩形的，并且在该实施例中在第一层10的一侧上在对角处平行对准(align)，这由面板上的XFP光学器件的布置而确定。四个XFP连接器衬垫12以此方式在优选实施例的第一层10上对准。通过XFP多源协议(MSA)中规定的封装来限定连接器衬垫的尺寸。
标准XFP连接器衬垫相当大，会引入大电容。某些供应商提供的连接器支持较短的XFP连接器衬垫，但是这些较短的XFP连接器衬垫不与标准XFP连接器封装兼容。在本发明中，如参考图3更详细地讨论的，使用XFP连接器衬垫下面的PCB 11的第三层中的开口来最小化XFP连接器衬垫电容。
XFP连接器衬垫12被多个接地过孔14围绕，并可操作地连接到这些接地过孔14。这些接地过孔14为信号提供立体参考路径(solid referencepath)。接地过孔14近似为圆柱形，并在PCB 11的第一层10与PCB 11的第四层之间产生开口。在该实施例中，XFP连接器衬垫12是0.6毫米衬垫，接地过孔14具有0.25毫米的完成孔洞大小，但接地过孔14的精确几何形状对于本发明并不重要。
PHY接地衬垫13位于PCB 11的第一层10的与XFP连接器衬垫12相反的一端。PHY接地衬垫13周围的另外的接地过孔14也为信号提供立体参考路径。这些接地过孔14也存在于从PCB 11的第一层10到PCB 11的第四层，并在第一层10上彼此连接。
盲孔(blind via)16位于PHY信号衬垫15之内并位于第一层10的与XFP连接器衬垫12相反的一端。这些盲孔16在PCB 11的第一层10与第二层之间布线。盲孔16并不穿透整个PCB 11，而是仅仅从第一层10(表面层)延伸到第一内部层(第二层)。通过盲孔不产生过孔短截线(viastub)。信号在XFP连接器衬垫12处进入，并在PHY信号衬垫15处离开。
为了使成本最小化，优选实施例的盲孔在PCB 11的第一层10与第二层之间相对较短。这也用于最小化会损害电学性能的过孔寄生效应。在优选实施例中，出于安全原因，在第一层10与第二层之间使用双层预浸料。预浸料是在多层层压期间用作胶粘剂的非固化的玻璃/环氧树脂片。
优选实施例的盲孔足够小以使用衬垫中的过孔。在该实施例中，使用0.15毫米的完成孔洞大小。相对宽的盲孔有助于确保盲孔为经济的。在图1所示的优选实施例中，两个盲孔16位于XFP连接器衬垫12中的两个的底部上，并且两个盲孔16位于PHY信号衬垫15之内。
在该实施例中，XFP笼状接地屏蔽20被设置在第一层10的近似中心处，该XFP笼状接地屏蔽20由铜制成，且具有形状如同平行四边形的开口21。该XFP笼状接地屏蔽20延伸为与XFP连接器衬垫12成角度对准。开口21的两个侧边与XFP笼状接地屏蔽20的后侧(back)平行，另外两个侧边与差分对(位于第二层中并结合图2讨论)平行。
在开口21的外边缘/侧边与XFP笼状接地屏蔽20的外边缘之间有0.005英寸的距离。在开口21的每个侧边上存在0.005英寸距离，以确保良好的电连接，然而，也可以使用其他尺寸。在该实施例中，垫片与XFP笼状接地屏蔽20接触。
XFP笼状接地屏蔽20是系统的电表皮(electrical skin)的一部分。XFP笼状接地屏蔽20可承载ESD瞬变，该ESD瞬变会破坏灵敏的差分对(位于图2的第二层中并与其结合讨论)。XFP笼状接地屏蔽20还可以传导被辐射的内部噪声，从而引起EMC问题。XFP笼状接地屏蔽20向差分对的耦合导致阻抗不连续性，该阻抗不连续性使得链路的电性能劣化。开口21有助于最小化XFP笼状接地屏蔽20耦合到差分对的影响。为了最小化源于剩余的XFP笼状接地屏蔽20的阻抗不连续性，开口位于该层之下的第三层(结合图3讨论)。使得在PCB 11的第一层10与第二层之间的距离最大化也有助于最小化源于XFP笼状接地屏蔽20的阻抗不连续性。在该优选实施例中，使用厚度为3.8密耳(0.0038英寸)的预浸料(在第一层与第二层25之间的电介质)。
图2示出本发明的优选实施例的第二层的俯视图。第二层25是PCB 11的第一内部层。第二层25包含差分对26的两条走线，该两条走线大致彼此平行延伸，并延伸跨过PCB 11的长度的一部分。差分对26的每条走线最优地在0.4英寸与0.7英寸之间，但也可以利用各种长度。然而，为了最优性能，差分对26不应该太短。较长的差分对减慢信号边沿，这降低了源于不连续性的反射，并改善了回波损耗。
出于同样的原因，优选实施例中的第二层25的走线保持为薄而窄。在优选实施例中。将宽度为0.005英寸且0.5盎司的铜用于差分对26的每条走线。在该优选实施例中，差分对26的每条走线之间的间距为0.010英寸。差分对26之间的0.010英寸的紧密耦合有助于最小化向XFP笼状接地屏蔽的耦合。使得差分对26中的每一个都很窄还有助于最小化向XFP笼状接地屏蔽的耦合。
差分对26的每条走线在端部处必须偏斜，以能够连接到XFP连接器衬垫和PHY信号衬垫。任何偏斜补偿必须在偏斜源(也就是，弯头)附近完成。差分对26的每个端部被连接到来自PCB 11的第一层的盲孔16。通过在差分对26中引入一些非常高频的损耗，实际上改善了回波损耗。
在第二层25上在差分对26的两侧还设置保护走线(guard trace)27。保护走线27也被连接(tie)到位于PHY接地衬垫和XFP连接器衬垫下面的第四层的接地面。将保护走线27连接到所述接地面的接地过孔14被示出在第二层25上。保护走线27对第二层25上的差分对26布线，以提供向数字地(digital ground)的更紧密的耦合。保护走线27降低了垫片对10Gbps信号的影响。然而，保护走线27的添加使得差分对26对信号偏斜更加敏感。为了减轻这个问题，在弯头附近降低差分对26向保护走线27的耦合。每条保护走线沿着差分对26的大部分长度距离差分对26大约0.005英寸。然而，该距离在差分对26的端部处增大，差分对26在所述端部处偏斜。理想地，保护走线27比信号走线宽度宽出大于或等于四倍。在该特定实施例中，保护走线27至少为0.020英寸。
图3示出本发明的优选实施例的第三层的俯视图。在该优选实施例中，第三层31为0.0012英寸厚，并通过0.004英寸的芯(core)而与PCB 11的第二层间隔开。在PCB 11的第三层31上存在形状如同矩形的XFP开口30，其位置和精确几何形状由XFP连接器衬垫取向来确定。XFP开口30被设置在第三层31上且在PCB 11的第一层上的XFP连接器衬垫的正下方。XFP开口30有助于最小化XFP连接器衬垫电容。
在PCB 11的第三层31上还存在两个XFP笼状接地屏蔽开口32。该XFP笼状接地屏蔽开口32在XFP笼状接地屏蔽下被裁出，在该实施例中被设计为使其外边缘与XFP笼状接地屏蔽的外边缘分开相同宽度。XFP笼状接地屏蔽开口32的宽度与PCB 11的第一层上的XFP笼状接地屏蔽的重叠(overlapping)铜的宽度(也就是，在XFP笼状接地屏蔽上的开口的外边缘与XFP笼状接地屏蔽的外边缘之间的宽度)相同。XFP笼状接地屏蔽开口的长度使得其在第三层31上延伸到PCB 11的第二层的保护走线之下且在这些保护走线之间，并且与第一层上的XFP笼状接地屏蔽角度相同。XFP笼状接地屏蔽开口32补偿了由PCB 11的第一层上的铜屏蔽所导致的在10Gbps信号走线上的附加电容耦合。在第三层31上还可以看到接地过孔14。
图4示出本发明的优选实施例的第四层的俯视图。在PCB 11的第三层与第四层40之间存在0.006英寸的预浸料。PCB 11的第四层40为0.0012英寸厚，并用作PCB 11的地。在第四层40上还可看到接地过孔14。
本领域技术人员将认识到，可以对上述实施例进行改变或修改而不偏离本发明的宽泛的发明构思。因此，应该理解，本发明并不限于这里描述的特定实施例，而是旨在包括落入权利要求所阐明的本发明的范围和精神之内的所有改变和修改。实际上，如果在PCB中使用更高性能的基底，则可以去除这里公开的某些特征。

Claims (10)

1.一种用于互连在10Gbps PHY与XFP收发器之间的XFI接口的装置，包括：
(a)第一层，其包括第一PHY信号衬垫、第二PHY信号衬垫、被第一多个接地过孔围绕并可操作地连接到所述第一多个接地过孔的多个XFP连接器衬垫、具有第二多个接地过孔的多个PHY接地衬垫、以及具有开口的XFP笼状接地屏蔽；
(b)第二层，其位于所述第一层之下，包括具有第一走线和第二走线的差分对、以及围绕所述差分对的第一保护走线和第二保护走线；
(c)第三层，其位于所述第二层之下，包括位于所述多个XFP连接器衬垫之下的XFP开口、以及位于所述XFP笼状接地屏蔽之下的第一XFP笼状接地屏蔽开口和第二XFP笼状接地屏蔽开口；
(d)第四层，其位于所述第三层之下，用作地；以及
(e)多个盲孔，其在所述第一层与所述第二层之间延伸，并可操作地连接到所述差分对、所述多个XFP连接器衬垫、所述第一PHY信号衬垫和所述第二PHY信号衬垫。
2.根据权利要求1的装置，其中所述多个XFP连接器衬垫位于所述第一层的第一端上。
3.根据权利要求2的装置，其中所述多个XFP连接器衬垫中的每一个是矩形的，并在所述第一层上在对角处平行对准。
4.根据权利要求1的装置，其中所述多个盲孔包括：位于所述多个XFP连接器衬垫的第一个上的第一盲孔、位于所述多个XFP连接器衬垫的第二个上的第二盲孔、位于所述第一PHY信号衬垫内的第三盲孔、以及位于所述第二PHY信号衬垫内的第四盲孔。
5.根据权利要求1的装置，其中所述XFP笼状接地屏蔽上的所述开口近似为平行四边形，具有第一侧边、第二侧边、顶边和底边。
6.根据权利要求5的装置，其中所述第一XFP笼状接地屏蔽开口位于所述XFP笼状接地屏蔽的第一外边缘和所述XFP笼状接地屏蔽上的所述开口的所述第一侧边之下且位于其间，所述第二XFP笼状接地屏蔽开口位于所述XFP笼状接地屏蔽的第二外边缘和所述XFP笼状接地屏蔽上的所述开口的所述第二侧边之下并位于其间。
7.根据权利要求6的装置，其中所述第一XFP笼状接地屏蔽开口和所述第二XFP笼状接地屏蔽开口位于所述差分对之下，并在所述第一保护走线与所述第二保护走线之间延伸。
8.一种用于互连PHY和收发器的装置，包括：
(a)第一层，其包括第一PHY信号衬垫、第二PHY信号衬垫、被第一多个接地过孔围绕并可操作地连接到所述第一多个接地过孔的多个连接器衬垫、具有第二多个接地过孔的多个PHY接地衬垫、以及具有开口的笼状接地屏蔽；
(b)第二层，其位于所述第一层之下，包括具有第一走线和第二走线的差分对、以及围绕所述差分对的第一保护走线和第二保护走线；
(c)第三层，其位于所述第二层之下，包括位于所述多个连接器衬垫之下的开口、以及位于所述笼状接地屏蔽之下的第一笼状接地屏蔽开口和第二笼状接地屏蔽开口；
(d)第四层，其位于所述第三层之下，用作地；以及
(e)多个盲孔，其在所述第一层与所述第二层之间延伸，并可操作地连接到所述差分对、所述多个连接器衬垫、所述第一PHY信号衬垫和所述第二PHY信号衬垫。
9.根据权利要求8的装置，其中，所述笼状接地屏蔽上的所述开口近似为平行四边形，具有与所述笼状接地屏蔽的第一外边缘和第二外边缘平行地延伸的第一侧边和第二侧边、以及与所述差分对平行地延伸的顶边和底边。
10.根据权利要求9的装置，其中所述第一笼状接地屏蔽开口位于所述笼状接地屏蔽的所述第一外边缘和所述笼状接地屏蔽上的所述开口的所述第一侧边之下并位于其间，所述第二笼状接地屏蔽开口位于所述笼状接地屏蔽的所述第二外边缘和所述笼状接地屏蔽的所述开口的所述第二侧边之下并位于其间，所述第一笼状接地屏蔽开口和所述第二笼状接地屏蔽开口都位于所述差分对之下并在所述第一保护走线与所述第二保护走线之间延伸。
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