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本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯
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. }% }$ A6 v3 | y, H2. PCB板材對(duì)高速信號(hào)電氣性能影響7 C/ _9 |" H- j% Q' b& g$ w& l: w6 m" V+ ^) M. Z' c2 y* K! o
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眾所周知，高速信號(hào)關(guān)注傳輸線損耗、阻抗及時(shí)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(hào)的問題就可以迎刃而解了。$ U) t' B# l5 R5 q9 J9 k1 r
s" m% N( Z* ~0 { 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。/ [* ]4 R4 Y, I) t
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圖74 m3 Y% O4 \! m9 @6 k: ] j9 D3 l& r
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% `* @% l& P: o5 {# j, l8 U 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(hào)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(huì)影響我們的高速信號(hào)電氣性能。
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圖8
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& x# h7 i# }) [% j ?2.1 Dk&Df的影響
4 c$ A7 |0 y9 l; l8 S1 x 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(duì)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 Y1 K) k! ?% I5 c5 V2 t* L
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圖9 s ^! L* {) P2 Z- M9 U
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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(jí)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。
* H, X+ m" g' w8 }& K& w/ P2 M/ v 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(hào)列出，只有不同的材料代號(hào)。 ~1 x5 W6 T8 g, e: F0 G9 X* _: n* w: a/ a( f3 L! w" m" ^+ ] E
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+ F" D2 N$ Z/ ^圖10
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' `" ]- v9 P& `, L* O. y$ l圖11- I0 X6 f! T2 f# {5 n' h
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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% K+ ~3 F9 S) [' z6 s4 S- h8 I
根據(jù)時(shí)延公式1可以知道，Dk越小傳播時(shí)延也越�。▊鞑ニ俣瓤欤枰臅r(shí)間就�。�，同時(shí)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），損耗也越小（穩(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。
. G: U/ V% I. ]% Q# s' f, K% [如下圖12所示為同樣的12inch線長(zhǎng)，使用上面不同損耗級(jí)別的材料所測(cè)得的損耗曲線，可知當(dāng)在10GHz的時(shí)候，普通FR4(普通損耗級(jí)別)的損耗為-15dB,而如果使用TU（低損耗級(jí)別）的損耗僅-7.5dB，如果此時(shí)有個(gè)高速信號(hào)要求插損在10GHz的時(shí)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(jí)別更低的材料。 ~- \. d3 O& X1 E4 _% Y' M
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圖126 ]1 U. V8 o& o6 o
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2.2 銅箔表面粗糙度的影響( \. t' s4 S7 N7 `: d3 @( B3 ^$ R. O
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?cè)谠O(shè)計(jì)或者仿真的時(shí)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/ D3 V& h5 ]' C+ S( ^
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7 Q5 x- f8 g$ ~# A# c1 p" \; l+ o& {圖13/ ^3 Z2 ?2 l& N; g Y. e. F, j9 c+ n
9 A9 C: \5 C5 S: V 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?cè)谠O(shè)計(jì)或仿真時(shí)忽略掉了。6 u) q9 ^% \7 _4 X
下圖14是幾種常規(guī)的銅箔對(duì)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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9 D& [8 M, A+ n圖14+ ^4 v9 J+ d& v b; X9 u
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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 ]" |. p2 J2 M; q: Q0 M& Q! {
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圖15" q M1 T" U2 a& B* V( T0 X
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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(hào)完整性問題，而低表面粗糙度的銅箔就不會(huì)導(dǎo)致類似問題。如下圖16是對(duì)同樣的材料不同的銅箔進(jìn)行的仿真比較。. B- f# p4 A, y+ e+ b" ?4 b! g+ s
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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?cè)诟咚傩盘?hào)(尤其>10G)的設(shè)計(jì)和仿真中需要注意銅箔的影響。
$ g2 x) W: _9 Z, p2.3 玻纖布的影響/ N4 x7 a3 J3 r3 J
! z2 D+ s2 H# K! [/ @+ ? 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(duì)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) v) c2 y( N9 p! ~4 F
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0 G. X% @ a, ^0 Q7 N( J3 d圖17
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從上圖17可知不同的玻纖對(duì)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(hào)分別布在開窗上和玻纖上所表現(xiàn)的特性(阻抗、時(shí)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。
9 s& \& u! [# d1 P; {3 da、玻纖效應(yīng)對(duì)阻抗的影響, W- h8 y2 D4 X) W$ H. c- U( h" e: p5 r8 F& k8 ~( x
如下圖18為同一疊層對(duì)應(yīng)不同玻纖的阻抗測(cè)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(cè)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。3 c1 H0 \: o$ m( E; S" c. z5 r
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圖18
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2 p: Q4 p# q; E8 l8 ?' S& d* pb、玻纖效應(yīng)對(duì)時(shí)延的影響
, [( E4 I: k. Z* _9 @ 如下圖19為一對(duì)差分信號(hào)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(hào)和共模信號(hào)完美，而右下角為有玻纖效應(yīng)的影響，由于差分信號(hào)上的一根在玻纖上，另一根在開窗上，時(shí)延不一致造成了不同時(shí)到達(dá)，最終影響了差分信號(hào)和共模信號(hào)的正常接收。$ k6 B# ]" Q$ \3 }+ P" R3 K
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圖190 j1 l9 L) o' H% W
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t1 q" D& R, g- S M% ]" Nc、玻纖效應(yīng)對(duì)損耗的影響5 [) e" O- e8 \5 F' F y! s
如下圖20為不同損耗級(jí)別下的材料對(duì)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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% q8 Z& }$ n+ p8 C. J圖206 d9 r1 I& P" S( ?5 k. g
" P0 g% v6 G) k$ b 綜上我們?cè)诟咚傩盘?hào)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(shí)候讓廠家旋轉(zhuǎn)一定的角度(板材的利用率會(huì)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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