測(cè)量磁盤驅(qū)動(dòng)器柔性電路的互連阻抗測(cè)試

HDD中需精心設(shè)計(jì)的鏈路是位于前置放大器和讀/寫磁頭組件之間的互連。該互連是確保HDD以多倍Gb/s的速率讀寫大量數(shù)據(jù)關(guān)鍵組件，但是，諸如交調(diào)失真、過沖和下沖等影響常會(huì)降低互連的性能，本文簡(jiǎn)要介紹如何利用時(shí)域反射測(cè)量儀器對(duì)該互連阻抗進(jìn)行測(cè)量。

HDD中需精心設(shè)計(jì)的鏈路是位于前置放大器和讀/寫磁頭組件之間的互連。該互連是確保HDD以多倍Gb/s的速率讀寫大量數(shù) 據(jù)所要求的速度和控制的關(guān)鍵組件，但是，諸如交調(diào)失真、過沖和下沖等影響常會(huì)降低互連的性能，并大大地耽誤設(shè)計(jì)進(jìn)程，甚至影響產(chǎn)品性能或推遲上市時(shí)間。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，3M亞太公司的工程師們正將電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)融入到整個(gè)設(shè)計(jì)周期當(dāng)中，從而使HDD柔性互連在滿足開發(fā)時(shí)間和成本目標(biāo)的同時(shí)確保其性能的先進(jìn)性，他們通過仿真獲得的結(jié)果已經(jīng)用時(shí)域反射測(cè)量儀器(TDR)加以驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

在本文的設(shè)計(jì)中采用EDA工具的動(dòng)因是縮短設(shè)計(jì)產(chǎn)品及上市所需的大量時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)更為魯棒的設(shè)計(jì)。魯棒性是通過讓設(shè)計(jì)-布局-分析-除錯(cuò)一整套操作過程更頻繁地和更快地執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的，與制造和測(cè)量原型樣機(jī)相比，成本得到了顯著的降低。

3M Microflex電路是一種置于襯底上的薄而輕的信號(hào)布線，該襯底具有精確設(shè)計(jì)的電路特征。它們用于IC封裝、HDD、醫(yī)學(xué)設(shè)備、打印機(jī)和其它的高密度應(yīng)用。柔性電路技術(shù)使得產(chǎn)品更小、更輕和運(yùn)行更快，并能降低總的應(yīng)用成本。

本文要測(cè)量的電路是一種柔性懸浮結(jié)構(gòu)(FOS)，該結(jié)構(gòu)用于一種HDD萬向架裝配頭(HGA)。設(shè)計(jì)指南包括三個(gè)方面：機(jī)械兼容性、加工的獨(dú)立性和電性能。

1．HGA機(jī)械兼容性：在萬向架組件區(qū)域，HGA的強(qiáng)度必須最小以確保磁頭與記錄媒體的飛行高度兼容，這就要求降低電路的導(dǎo)體高度，因此，會(huì)影響整個(gè)電路的阻抗。

2．加工的獨(dú)立性：3M公司目前的加工能力為25微米線寬和線間距。

3．電性能：整個(gè)柔性電路要求從驅(qū)動(dòng)器芯片輸出到巨磁阻讀/寫頭的阻抗受控。

FOS設(shè)計(jì)和分析

阻抗(R)、電感 (L)、電容(C)和電導(dǎo)(G)的提取是利用Spicelink來完成的，它是Ansoft公司提供的一種電磁場(chǎng)解算器。FOS(圖1)裝配不同層的堆疊 是在內(nèi)置的2D建模工具內(nèi)闖建的。堆疊的每一層被賦予不同的材料特性，包括線寬、襯底、粘合劑、鋼結(jié)構(gòu)支撐等。

Spicelink的變參量功能使工程師能夠?qū)€間距和堆疊組合變化的影響進(jìn)行研究，從而根據(jù)“什么-如果”假定來評(píng)估各種 變化對(duì)電路性能的影響。圖2顯示了一系列仿真的視圖。圖2上左顯示了這種堆疊組合的橫截面，圖2下左顯示了采用2D提取器計(jì)算出的RLCG矩陣，圖2上右 和圖2下右顯示了由仿真器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)圖。圖3中參變量研究的結(jié)果顯示了線寬和線間距對(duì)FOS柔性電路阻抗的影響。

通過TDR提取阻抗特征

TDR可用于測(cè)量柔性結(jié)構(gòu)的阻抗特征。虛擬TDR可通過執(zhí)行一系列從EM仿真提取模型的運(yùn)算，然后利用SPICE電路仿真器進(jìn)行時(shí)域仿真來實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果與從TDR儀器所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。

圖4闡明了TDR測(cè)量的原理。電路的阻抗特征由反射波形繪制而成。TDR結(jié)果表明：沿大部分信號(hào)傳輸路徑的阻抗被控制在75-80 歐(圖 5)。這將確保因電路的阻抗失配造成的反射被抑制在足夠小的范圍內(nèi)，從而確保電路正常工作的目標(biāo)阻抗。如果反射無法減少，那么衰減和失真將使最終達(dá)到前置 放大器端的信號(hào)成為無法利用的信號(hào)。

交調(diào)分析

在FOS裝配中需予以特別關(guān)注的是電路中寫信道和讀信道間的交調(diào)。對(duì)于一個(gè)50 ohm的電路，典型的讀周期電流是5 mA的階乘，這就意味著，要想HGA的讀/寫頭不被損壞，要求讀信道承受250 mV的最大電壓。

要分析這一情形，需從3D EM模擬工具中提取出SPICE模型，重點(diǎn)分析FOS裝配結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域(圖 6)。圖6中顯示了HGA區(qū)域和電路的尾部。在電路模型被提取后，就執(zhí)行時(shí)域仿真以確定交調(diào)電平。

圖7顯示了電路仿真產(chǎn)生的輸出波形。如圖8所示，F(xiàn)OS結(jié)構(gòu)的交調(diào)電壓電平落在最大的限制范圍內(nèi)。這些交調(diào)圖有助于在保持足夠性能前提下，保持FOS的尺寸盡可能的小，封裝盡可能的密實(shí)，從而免受損傷磁頭。

本文小結(jié)

通過執(zhí)行柔性電路的參變量提取可以判定其性能。這些分析包括版圖設(shè)計(jì)前傳輸線的特征阻抗仿真和版圖設(shè)計(jì)后的交調(diào)、過沖和下沖分析。整個(gè)結(jié)構(gòu)的阻抗特征可以通過執(zhí)行虛擬TDR獲得。此外，還測(cè)量了沿傳輸線和堆疊變化的阻抗。

典型的FOS原型的制造和測(cè)試周期包括在HGA上制造和裝配柔性電路，這一過程需要5到6個(gè)星期才能完成。在設(shè)計(jì)過程中采用 Ansoft公司的 Spicelink技術(shù)，所耗時(shí)間將會(huì)有效地減少到4-5天。此外，在不需要增加與制造和測(cè)試相關(guān)的時(shí)間與成本的基礎(chǔ)上，通過迅速進(jìn)行容差分析，采用 EDA工具能夠得到更為魯棒的設(shè)計(jì)。

在交付生產(chǎn)前，預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)的性能可以確保識(shí)別并矯正不需要的電效應(yīng)。在3M的柔性設(shè)計(jì)過程中引入Ansoft公司的EDA工具，極大地減少了成本并縮短了上市時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

1. Howard W. Johnson, Martin Graham. High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Prentice Hall PTR, 1993.

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