PCB Ethernet 100G : Spécifications de conception, guide d'empilement et liste de contrôle de l'intégrité du signal

La conception d'une carte PCB Ethernet 100G exige de dépasser les pratiques FR4 standard pour gérer la physique de la perte de signal à haute fréquence. À 25 Gbit/s par voie (NRZ) ou 50 Gbit/s (PAM4), les variations de fabrication mineures qui étaient invisibles à des vitesses inférieures deviennent des points de défaillance critiques. APTPCB (APTPCB PCB Factory) est spécialisée dans le contrôle de ces variables grâce à une gestion précise de l'empilement et à des techniques de fabrication avancées.

Ce guide fournit les règles spécifiques, les paramètres matériels et les étapes de dépannage nécessaires pour atteindre une performance 100G conforme.

PCB Ethernet 100G : Réponse rapide (30 secondes)

Pour les ingénieurs ayant besoin de critères de validation immédiats, voici les exigences non négociables pour une carte PCB Ethernet 100G fonctionnelle :

Sélection des matériaux : Le FR4 standard est inutilisable en raison de sa perte diélectrique élevée. Utilisez des matériaux à très faible perte (Df < 0,005 à 10 GHz) comme le Panasonic Megtron 6/7 ou l'Isola Tachyon.
Profil du cuivre : Spécifiez une feuille de cuivre HVLP (Hyper Very Low Profile). Le cuivre rugueux crée un "effet de peau" qui augmente considérablement la perte d'insertion aux hautes fréquences.
Gestion des vias : Le défonçage arrière (backdrilling) est obligatoire pour les vias traversants sur les lignes à haute vitesse afin d'éliminer les stubs inutilisés (la longueur du stub doit être < 10 mils / 0,25 mm).
Contrôle d'impédance : L'impédance différentielle est typiquement de 100Ω ±5% (ou ±7% selon le PHY). Une tolérance standard de ±10% est souvent insuffisante pour les marges 100G.
Effet de tissage de fibres : Utilisez des styles de "verre étalé" (par exemple, 1067, 1078) ou acheminez les paires différentielles à un léger angle (routage en zigzag) pour éviter le désalignement causé par les faisceaux de verre.
Finition de surface : ENIG ou ENEPIG est préféré pour la planéité ; HASL n'est pas acceptable en raison de pastilles inégales affectant l'impédance et le soudage des composants à pas fin.

Quand les PCB Ethernet 100G s'appliquent (et quand ils ne s'appliquent pas)

Comprendre le contexte d'application garantit que vous ne sur-ingénieriez pas une carte simple ou ne sous-spécifieriez pas une carte critique.

Quand utiliser la technologie de PCB Ethernet 100G :

Commutateurs et routeurs de centres de données : Équipements de réseau centraux gérant un débit massif.
Modules émetteurs-récepteurs optiques : PCB à l'intérieur des modules QSFP28 ou CFP connectant la fibre au cuivre.
Calcul haute performance (HPC) : Fonds de panier de serveurs connectant des clusters CPU/GPU.
Accélérateurs IA/ML : Matériel nécessitant une bande passante massive pour l'entraînement de modèles (souvent évoluant vers des architectures de PCB Ethernet 200G ou PCB Ethernet 1.6T).
Infrastructure 5G : Unités de bande de base traitant des données agrégées à haute vitesse.

Quand un PCB Ethernet standard (1G/10G) est suffisant :

Capteurs IoT industriels : Le rapport à faible bande passante ne nécessite pas de matériaux à très faible perte.
Téléphones VoIP de bureau standard : fonctionnent bien selon les spécifications Cat5e/Cat6 sur FR4 standard.
Électronique grand public : Les ordinateurs portables et les consoles de jeux dépassent rarement les exigences de PCB Ethernet 10G en interne.
Systèmes de contrôle hérités : Systèmes s'appuyant sur des protocoles de communication inférieurs à 1 GHz.

Règles et spécifications des PCB Ethernet 100G (paramètres clés et limites)

Le tableau suivant présente les règles de conception critiques. S'écarter de ces valeurs augmente considérablement le risque de défaillances dues au taux d'erreur binaire (BER).

Catégorie de règle	Valeur/Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Constante diélectrique (Dk)	3.0 – 3.7 (Stable sur la fréquence)	Détermine la vitesse de propagation et la largeur de trace d'impédance.	Test de coupon d'impédance (TDR)	Désadaptation d'impédance ; réflexion du signal.
Facteur de dissipation (Df)	< 0.005 @ 10GHz	Contrôle l'atténuation du signal (perte diélectrique).	Mesure VNA	Perte d'insertion élevée ; le signal meurt avant le récepteur.
Longueur de stub de via	< 10 mils (0.25mm)	Les stubs agissent comme des antennes/filtres, provoquant des creux de résonance.	Analyse de section transversale (Microsection)	Perte totale du signal à des fréquences de résonance spécifiques.
Impédance différentielle	90Ω ou 100Ω ±5%	Correspond à l'impédance de l'émetteur-récepteur/câble.	TDR (Réflectométrie dans le domaine temporel)	Les réflexions (perte de retour) dégradent la qualité du signal.
Désalignement intra-paire	< 5 mils (0.127mm)	Garantit que les signaux P et N arrivent simultanément.	Simulation / Rapport de correspondance de longueur	Conversion de mode (différentiel en mode commun) ; problèmes EMI.
Rugosité du cuivre	Rz < 2,0 µm (HVLP)	Réduit les pertes du conducteur dues à l'effet de peau.	MEB (Microscope Électronique à Balayage)	Perte d'insertion accrue aux hautes fréquences (>10GHz).
Largeur/Espacement des pistes	Généralement 4/5 mils ou plus serré	Définit l'impédance et le couplage.	AOI (Inspection Optique Automatisée)	Défaillance d'impédance ; diaphonie.
Masque de soudure	Retirer sur les pistes haute vitesse (facultatif)	Le masque de soudure ajoute une variation de Dk/Df.	Inspection visuelle	Légère chute d'impédance ; perte accrue (marginale).
Diamètre de l'anti-pad	Optimisé par simulation	Réduit la charge capacitive des vias.	Révision Gerber/CAM	Chute d'impédance à l'emplacement du via.
Style de tissage de verre	Verre étalé (1067/1078)	Prévient les variations de charge périodiques.	Vérification de la fiche technique du matériau	Variations d'asymétrie périodiques ; "effet de tissage de fibres."

Étapes de mise en œuvre des PCB Ethernet 100G (points de contrôle du processus)

La fabrication réussie d'un PCB Ethernet 100G nécessite un flux de travail synchronisé entre l'équipe de conception et APTPCB.

Définition de l'empilement et sélection des matériaux
- Action : Sélectionnez un matériau comme Megtron PCB ou Rogers. Définissez le nombre de couches pour équilibrer les plans d'alimentation et les couches de signal.
- Vérification : Vérifiez la disponibilité du matériau et le délai de livraison avant de commencer la conception.
Simulation pré-routage (Intégrité du signal)
- Action : Simulez le canal (piste + vias + connecteur).

Paramètre : Vérifier la perte d'insertion (IL) et la perte de retour (RL) par rapport aux spécifications IEEE 802.3bj/cd.
Vérification : S'assurer que des marges existent pour les tolérances de fabrication.

Disposition et Routage
- Action : Router d'abord les paires différentielles haute vitesse. Utiliser des courbes douces (pas de coudes à 90 degrés).
- Paramètre : Maintenir des plans de référence continus (pas de divisions sous les lignes haute vitesse).
- Vérification : Exécuter le DRC pour l'espacement de couplage afin d'éviter la diaphonie.
Conception des Vias et Configuration du Backdrill
- Action : Définir quels vias nécessitent un backdrill.
- Paramètre : Régler la profondeur du backdrill pour laisser un talon de max 8-10 mil.
- Vérification : Vérifier que les fichiers de perçage identifient clairement les emplacements de backdrill.
Fabrication : Stratification et Gravure
- Action : APTPCB effectue une gravure contrôlée pour maintenir la géométrie des pistes.
- Paramètre : La compensation du facteur de gravure est critique pour les formes de pistes trapézoïdales.
- Vérification : Inspection AOI des couches internes avant la stratification.
Exécution du Backdrill
- Action : Le perçage à profondeur contrôlée retire la partie inutilisée du barillet.
- Paramètre : Tolérance de profondeur ±2-4 mil.
- Vérification : Vérification par rayons X ou microsection.
Application de la Finition de Surface
- Action : Appliquer ENIG ou Immersion Silver.
- Paramètre : La planéité est essentielle pour les composants BGA.
- Vérification : Inspection visuelle pour l'oxydation des pastilles ou les irrégularités.
Test d'Impédance (TDR)

Action : Coupons de test sur le bord du panneau.
Paramètre : Vérifier 100Ω ±5%.
Vérification : Générer un rapport TDR.

Test de propreté et de contamination ionique
- Action : Laver la carte pour éliminer les résidus de flux/produits chimiques.
- Paramètre : Propreté < 1,56 µg/cm² équivalent NaCl.
- Vérification : Résultats du test ROSE.

Dépannage des PCB Ethernet 100G (modes de défaillance et corrections)

Lorsqu'un PCB Ethernet 100G tombe en panne, cela se manifeste généralement par un taux d'erreur binaire (BER) élevé ou une instabilité de la liaison.

1. Symptôme : Perte d'insertion élevée (Signal trop faible)

Cause : Matériau incorrect (Df trop élevé), cuivre trop rugueux ou pistes trop étroites.
Vérification : Vérifier l'empilement des matériaux utilisés par rapport à la conception. Vérifier la largeur des pistes sur la coupe transversale.
Solution : Passer à un matériau à faible perte (par exemple, passer de Megtron 4 à Megtron 6) ou élargir les pistes.

2. Symptôme : Creux de résonance dans la réponse en fréquence

Cause : Les stubs de via agissent comme des filtres.
Vérification : Vérifier la profondeur du backdrilling. Si un stub est >15 mils, il peut tuer les signaux 25 GHz.
Solution : Augmenter la profondeur du backdrill ou passer à des vias borgnes/enterrés (technologie HDI). Voir nos capacités de PCB HDI.

3. Symptôme : Diaphonie élevée (NEXT/FEXT)

Cause : Pistes routées trop proches ou brochage du connecteur médiocre.
Vérification : Mesurer l'espacement. Règle générale : un espacement > 3x la largeur de la piste (règle 3W) est souvent insuffisant pour le 100G ; 4W ou 5W est plus sûr.
Correction : Augmenter l'espacement entre les paires différentielles. Ajouter des vias de blindage pour le blindage.

4. Symptôme : Désalignement / Conversion de mode

Cause : Effet de tissage de fibres (une trace sur le verre, une sur la résine) ou désadaptation de longueur.
Vérification : Inspecter le type de verre utilisé (1080 vs 1067). Vérifier les rapports de correspondance de longueur.
Correction : Faire pivoter la conception de 10 degrés sur le panneau ou utiliser du verre étalé.

5. Symptôme : Désadaptation d'impédance au connecteur

Cause : Grands anti-pads ou mauvais routage d'évasion BGA.
Vérification : Tracé TDR spécifiquement au niveau de la zone de lancement du connecteur.
Correction : Optimiser la taille de l'anti-pad et ajouter des vias de référence de masse plus près des broches de signal.

Comment choisir une carte PCB Ethernet 100G (décisions de conception et compromis)

Le choix de la bonne approche dépend de votre feuille de route de débit de données spécifique et de votre budget.

PCB Ethernet 100G vs. 10G

10G : Peut souvent utiliser du FR4 haute performance (comme Isola 370HR). Aucun défonçage généralement requis.
100G : Nécessite des matériaux à faible perte (Megtron/Rogers). Le défonçage est essentiel. Le coût est 2 à 3 fois plus élevé en raison des matériaux et du traitement.

PCB Ethernet 100G vs. 400G / 1.6T

100G : Utilise NRZ ou PAM4 (25G bauds). Gérable avec le HDI standard.
400G/1.6T : Nécessite du cuivre ultra-lisse, des matériaux à très faible perte (Megtron 8 ou Tachyon 100G) et potentiellement des couches sautées pour réduire la diaphonie. Les marges de conception sont quasi nulles.

Compromis sur les matériaux

Coût vs. Perte : Le Megtron 6 est le matériau de référence de l'industrie pour le 100G. Le Rogers RO4350B offre de meilleures propriétés électriques mais est plus difficile à traiter dans les empilements multicouches.
Fiabilité thermique : Si la carte fonctionne à haute température, assurez-vous que la Tg (température de transition vitreuse) est >170°C.

FAQ sur les PCB Ethernet 100G (coût, délai, défauts courants, critères d'acceptation, fichiers DFM)

Q: Quel est le principal facteur de coût pour les PCB Ethernet 100G ? R: Le matériau stratifié. Les matériaux haute vitesse comme le Megtron 6 ou l'Isola Tachyon coûtent beaucoup plus cher que le FR4. Le deuxième facteur est le processus de contre-perçage, qui ajoute du temps machine.

Q: Quel est le délai typique pour la fabrication de PCB 100G ? R: Le délai standard est de 10 à 15 jours ouvrables. C'est plus long que pour les PCB standard en raison des cycles de laminage spécialisés et des étapes de contre-perçage. Des options de fabrication rapide sont disponibles mais dépendent du stock de matériaux.

Q: Dois-je utiliser des vias borgnes et enterrés ? R: Pas toujours. Les vias traversants avec contre-perçage sont la solution la plus rentable pour le 100G. Cependant, pour les conceptions très denses (comme les évasements de FPGA), l'interconnexion haute densité (HDI) avec des vias borgnes peut être nécessaire.

Q: Comment spécifier le contre-perçage dans mes fichiers de conception ? R: Créez une couche de perçage séparée identifiant les trous à contre-percer et la profondeur de la couche "à ne pas couper". Alternativement, spécifiez la "longueur maximale de talon" (par exemple, 8 mils) dans le dessin de fabrication. Q: APTPCB peut-il aider à la conception de l'empilement pour le 100G? A: Oui. Nous recommandons fortement de nous envoyer vos exigences d'impédance avant le routage. Nous proposerons un empilement valide utilisant des matériaux en stock pour gagner du temps et assurer la fabricabilité.

Q: Quels sont les critères d'acceptation pour l'intégrité du signal 100G? A: Généralement, cela implique de réussir les normes IPC Classe 2 ou 3, ainsi que des tests d'impédance TDR spécifiques (±5% ou ±10%) et potentiellement des tests VNA pour la perte d'insertion sur des coupons de test.

Q: La conception de PCB Ethernet 100G est-elle différente de celle de PCB Ethernet 3.2T? A: Oui. Les conceptions de PCB Ethernet 3.2T sont à la pointe de la technologie, nécessitant des matériaux à pertes encore plus faibles, un enregistrement plus précis, et utilisent souvent des architectures de fond de panier câblées pour contourner entièrement la perte du PCB.

Ressources pour PCB Ethernet 100G (pages et outils connexes)

Calculateur d'impédance: Estimez les largeurs de trace pour votre diélectrique cible.
Directives DFM: Règles générales pour la fabricabilité.
Fabrication de PCB haute vitesse: Aperçu de nos capacités pour les cartes haute fréquence.
PCB de fond de panier: Solutions pour les interconnexions haute vitesse grand format.

Glossaire PCB Ethernet 100G (termes clés)

Terme	Définition	Pertinence pour 100G
PAM4	Modulation d'amplitude d'impulsion (4 niveaux)	Schéma d'encodage utilisé en 100G/400G pour doubler le débit de données par rapport au NRZ.
NRZ	Non-Retour à Zéro	Ancien encodage binaire (0/1). Utilisé dans les voies 10G et certaines 25G.
Insertion Loss	Perte d'insertion	Perte de puissance du signal le long de la trace (dB). L'ennemi principal dans la conception 100G ; dicte la longueur maximale de la trace.
Return Loss	Perte de retour	Puissance du signal réfléchie vers la source (dB). Causée par un déséquilibre d'impédance ; dégrade l'intégrité du signal.
Skin Effect	Effet de peau	Courant circulant uniquement sur la surface extérieure du conducteur. Augmente la résistance à haute fréquence ; nécessite du cuivre lisse.
Backdrilling	Défonçage	Suppression de la partie inutilisée d'un via plaqué. Élimine les stubs résonants qui filtrent les signaux à haute vitesse.
Skew	Décalage temporel	Différence de délai temporel entre les signaux. Critique dans les paires différentielles ; P et N doivent arriver ensemble.
Dk (Dielectric Constant)	Dk (Constante diélectrique)	Mesure de la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie. Affecte la vitesse du signal et la géométrie de l'impédance.
Df (Dissipation Factor)	Df (Facteur de dissipation)	Mesure de l'énergie perdue sous forme de chaleur dans le matériau. Df plus faible = Moins de perte de signal. Critique pour le 100G.
TDR	Réflectométrie dans le domaine temporel (TDR)	La méthode standard pour mesurer l'impédance des traces de PCB.

Demander un devis pour un PCB Ethernet 100G (revue DFM + prix)

APTPCB fournit des revues DFM complètes pour s'assurer que votre conception haute vitesse est fabricable avant que vous ne payiez.

Pour le devis et la revue DFM les plus précis, veuillez fournir :

Fichiers Gerber (X2 préféré) ou ODB++.
Plan de fabrication : Doit spécifier le matériau (par exemple, "Megtron 6 ou équivalent"), l'empilement et les exigences de défonçage arrière (backdrill).
Exigences d'impédance : Lister les couches spécifiques et les ohms cibles.
Volume : Quantité de prototypes par rapport aux estimations de production de masse.

Conclusion : Prochaines étapes pour les PCB Ethernet 100G

Le déploiement réussi d'un PCB Ethernet 100G exige un passage de la fabrication standard à l'ingénierie de précision. En contrôlant la sélection des matériaux, en gérant les stubs de via par défonçage arrière et en respectant strictement les tolérances d'impédance, vous pouvez garantir l'intégrité du signal à plus de 25 Gbit/s par voie. APTPCB est prêt à soutenir votre projet avec des capacités de fabrication haute vitesse avancées et un contrôle qualité rigoureux.