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) O: l s% E0 o3 R5 v" y1 _8 V本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯# B# {3 i0 E& W
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, A0 n8 G7 L& v* \' g8 Z; ]: ~2. PCB板材對高速信號電氣性能影響7 C/ _9 |" H- j% Q' b& g$ w& l: w
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眾所周知，高速信號關(guān)注傳輸線損耗、阻抗及時延一致性，最后在接收端能接收到合適的波形及眼圖，只要滿足了上面幾點(diǎn)要求，那么高速信號的問題就可以迎刃而解了。$ U) t' B# l5 R5 q9 J9 k1 r
& a' q9 n0 @; w" _6 s8 } h 傳輸線損耗通常分為介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和輻射損耗，介質(zhì)損耗主要是由玻纖和樹脂帶來的，而導(dǎo)體損耗主要是由趨膚效應(yīng)和表面粗糙度影響的，如下圖7所示。
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圖7
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下圖8所示是我們通過微觀切片所看到的PCB的截面結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到信號線的表面是非常粗糙的（人為增加粘結(jié)性），以及構(gòu)成PP的玻纖和樹脂（玻纖和樹脂的Dk/Df特性不一致），這些因素都會影響我們的高速信號電氣性能。
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5 b% ?7 K" s/ S4 X$ a9 \0 r" J圖8
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% F3 p1 L7 h5 u* T3 ?% r% y2.1 Dk&Df的影響5 B8 \. ^. \/ @' ~. ?+ X) F
Dk&Df在上面部分已經(jīng)介紹過，介質(zhì)損耗與Dk&Df有直接關(guān)系。下圖9所示為幾種材料在20GHz內(nèi)每inch對應(yīng)的損耗曲線，其中藍(lán)色曲線為總體損耗，綠色曲線為介質(zhì)損耗，紅色曲線為導(dǎo)體（銅箔）損耗。+ D" Q6 \* K% Z; l$ f1 Y$ F+ [9 W2 |0 c. _( X# Z& f
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- u O7 F2 y# O& {4 _- Z& {* {$ {) F圖9
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* n" \5 H% N- O8 x 從上面圖9可以看到由于導(dǎo)體是一樣的，不同材料的導(dǎo)體損耗是相同的（紅色曲線），但隨著材料的損耗級別越低，介質(zhì)損耗越小，介質(zhì)損耗與總體損耗的占比也越小，在超低損耗材料的損耗曲線中，介質(zhì)損耗甚至比導(dǎo)體損耗還小。' R! D; T4 h& `/ P, R3 `% k
如下圖10和圖11為幾種常見材料的Dk/Df隨頻率和溫度變化的曲線，為公正起見，沒有將具體材料的型號列出，只有不同的材料代號。 ~1 x5 W6 T8 g, e: F0 G9 X* _: n* w' C2 L f) f# o) |7 q
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圖10* S) U' o f+ E$ ?6 q
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$ d6 x, w* u: R5 \; m圖11, `- C- ~5 F! c5 ~+ w5 d0 H
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]/ ~' _5 I4 h- R! Q, K2 |& f" z 一般來說，我們要求Dk/Df越穩(wěn)定越好，也就是說Dk/Df不隨頻率及溫濕度（環(huán)境）變化影響太大，反應(yīng)在圖形上面即是圖形的斜率越小越好，如果是水平的曲線那就是完美了。0 k6 n0 K& S" c2 I% K3 d0 i' q) U$ g4 N) e
根據(jù)時延公式1可以知道，Dk越小傳播時延也越�。▊鞑ニ俣瓤�，需要的時間就小），同時Dk的變化率越小阻抗也越穩(wěn)定，有利于阻抗的控制（公式2）。而從損耗公式（公式3）我們也可以知道Dk/Df越小（穩(wěn)定），損耗也越�。ǚ�(wěn)定），穩(wěn)定的材料參數(shù)可以在工程應(yīng)用上更好的控制產(chǎn)品的性能。
1 a9 a' U8 h: X7 f. b) R) l& c" h) B( M如下圖12所示為同樣的12inch線長，使用上面不同損耗級別的材料所測得的損耗曲線，可知當(dāng)在10GHz的時候，普通FR4(普通損耗級別)的損耗為-15dB,而如果使用TU（低損耗級別）的損耗僅-7.5dB，如果此時有個高速信號要求插損在10GHz的時候需要小于-12dB,那么使用普通FR4的材料就不能滿足要求，必須使用損耗級別更低的材料。
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# o; W4 J* i3 k. E0 H$ D/ g圖12
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% B8 U6 J3 r3 V6 o& i! f/ N5 w4 e2.2 銅箔表面粗糙度的影響( \. t' s4 S7 N
) L2 o6 ] b8 C$ T# P% x% T- H& c0 a 如上圖8所示的微觀切片所示，銅箔的表面是比較粗糙的，而我們在設(shè)計(jì)或者仿真的時候通常是以光滑的表面為模型，如下圖13所示。! _5 b0 u: h' ]; h, u, n/ D
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& |" v$ f6 R; y( g2 \/ B圖13
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& i9 D9 s0 L. n+ |; z3 ?" o' s 理想和現(xiàn)實(shí)是有差距的，這就是為什么我們經(jīng)常認(rèn)為自己的設(shè)計(jì)或者仿真結(jié)果是沒有問題，但實(shí)際產(chǎn)品卻有各種各樣的問題，其中必然有很多細(xì)節(jié)是我們在設(shè)計(jì)或仿真時忽略掉了。! K" Y& O. n" h8 R8 ^5 \6 m, m" y
下圖14是幾種常規(guī)的銅箔對表面粗糙度的定義，其中有STD(標(biāo)準(zhǔn)銅箔)、RTF(反轉(zhuǎn)銅箔)和VLP/HVLP(低/超低表面粗糙度銅箔)，可見不同的銅箔銅牙(粗糙度)相差明顯。
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! P0 @" j7 M1 z! n$ ]6 n+ E圖14
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如下圖15所示為普通銅箔與低表面粗糙度銅箔的切片放大圖。 y/ L& w ?; ]9 ]" |
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圖15
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從圖中可以直接看出銅箔粗糙度(銅牙)使線路的寬度、線間距不均勻，從而影響阻抗的不可控，最后導(dǎo)致一系列的高速信號完整性問題，而低表面粗糙度的銅箔就不會導(dǎo)致類似問題。如下圖16是對同樣的材料不同的銅箔進(jìn)行的仿真比較。" ?; T% ^5 w1 C5 W" Y2 I
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% u1 ]/ u7 t- p7 g0 R8 b1 e圖16- M7 G6 \9 }* k* F
$ M# ^( o' P/ @% U! n 從仿真結(jié)果可以看出在5GHz以下銅箔的影響不是太明顯，但在5GHz以上銅箔的影響開始越來越大，所以我們在高速信號(尤其>10G)的設(shè)計(jì)和仿真中需要注意銅箔的影響。
* P: N5 k$ I' c9 n2.3 玻纖布的影響/ N4 x7 a3 J3 r3 J1 O0 ~/ }8 O6 s) \
目前主流的材料都是采用的“E-glass”,參照的IPC-4412A規(guī)范，本文也是主要針對的E-glass的玻纖介紹。常見玻纖的微觀放大如下圖17所示。0 h& i+ ?! Z7 Y0 G& T! s
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7 ^" s5 h/ \* Y, p# o圖178 i+ R% p/ {% c* i, H
' U# V7 z6 d D 從上圖17可知不同的玻纖對應(yīng)的編織粗細(xì)不一樣，開窗和交織的厚度也不一樣，如果信號分別布在開窗上和玻纖上所表現(xiàn)的特性(阻抗、時延、損耗)也不一樣（開窗和玻纖Dk/Df特性不一樣導(dǎo)致的），這就是玻纖效應(yīng)。玻纖效應(yīng)的影響主要表現(xiàn)在如下幾種方式。
, H' H: ^0 K* R+ w, p2 ~' Q( w1 sa、玻纖效應(yīng)對阻抗的影響, W- h8 y2 D4 X) W$ H. c- U
6 U/ o$ N$ Q* q- I2 P 如下圖18為同一疊層對應(yīng)不同玻纖的阻抗測試結(jié)果，同樣的3.5mil線寬，采用1080和3313的玻纖布，可知因?yàn)?080的開窗比較大，所測試的TDR阻抗曲線跳變比較大，阻抗不匹配比較嚴(yán)重。而采用3313玻纖的阻抗曲線比較平整，阻抗比較均勻。& @% A: W7 J7 ?4 b5 r
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B$ t$ n7 i* w; V圖18
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b、玻纖效應(yīng)對時延的影響( {1 Z( B0 D& j/ {
如下圖19為一對差分信號在玻纖上的分布示意圖，左下部分表示的是沒有玻纖效應(yīng)的影響，差分信號和共模信號完美，而右下角為有玻纖效應(yīng)的影響，由于差分信號上的一根在玻纖上，另一根在開窗上，時延不一致造成了不同時到達(dá)，最終影響了差分信號和共模信號的正常接收。4 _! ^0 ~" ?$ Z4 D) h8 `* ^/ c
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圖19
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c、玻纖效應(yīng)對損耗的影響; g, u; x. t! z" M9 a9 n) Q, [ j
如下圖20為不同損耗級別下的材料對應(yīng)不同玻纖的損耗曲線。右邊圖示可知不管是中損耗的材料還是低損耗的材料，采用普通的玻纖(紅色)比采用平織布玻纖(藍(lán)色)的損耗都要大。4 r6 D) V4 D# g
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圖20: A) u9 k9 I! ]# u6 \8 V
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綜上我們在高速信號的設(shè)計(jì)上應(yīng)該盡量避免玻纖效應(yīng)的影響，常用的方法是采用一定角度走線或者在制板的時候讓廠家旋轉(zhuǎn)一定的角度(板材的利用率會有一定的下降)；或者直接采用開窗比較小的開纖布或者平織布，此外用2層PP也可以適當(dāng)?shù)谋苊獠＠w效應(yīng)。) |
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