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# a- i, y4 [7 n) C, J; D5 P; G本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯
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# g$ @0 v* B1 J0 U2 y! k$ @6 s2. 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: w
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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(wèn)題就可以迎刃而解了。$ U) t' B# l5 R5 q9 J9 k1 r+ r- [6 s; [% I: T: g$ b0 B; I
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(shù)脂帶來(lái)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。$ d& O# X* {. F/ t( u
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圖7
; v% B( S. _. t( I7 o v8 T& r x% e. ? d
) V8 P( B3 }) p1 D0 k 下圖8所示是我們通過(guò)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(shù)脂（玻纖和樹(shù)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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1 `4 `# h: [- T圖86 |/ ]8 \, }8 v% C+ B4 w
4 t& e( O6 j' H/ z+ a( U2.1 Dk&Df的影響
% h4 R {8 M# { q/ Z Dk&Df在上面部分已經(jīng)介紹過(guò)，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 Y
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+ E- e' s' k$ ^! I. w6 t8 V圖9
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8 k' b5 k+ g- z4 t6 ?. N 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。4 F4 f; E/ w7 f; {7 t
如下圖10和圖11為幾種常見(jiàn)材料的Dk/Df隨頻率和溫度變化的曲線，為公正起見(jiàn)，沒(méi)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* w4 l. E; ^: `$ D4 h/ i
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圖10/ |- n+ d( e9 L0 c
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圖11' @# f; O$ l4 U" B& y! v/ U1 J+ ?0 c4 c
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一般來(lái)說(shuō)，我們要求Dk/Df越穩(wěn)定越好，也就是說(shuō)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- R9 Z' O) m3 A( n! {
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�，需要的時(shí)間就小），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�。ǚ�(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。
% j2 A: l" {" {$ H9 q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。- _3 P6 ?% B4 J
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圖12, H% M' `* K0 Y
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! m2 l4 h9 \; K! O+ Z+ R" x2.2 銅箔表面粗糙度的影響( \. t' s4 S7 N
. a, O0 `+ S5 L; n0 j 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/ D
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% N$ j8 D2 \6 J% r4 S# W v圖13
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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(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際產(chǎn)品卻有各種各樣的問(wèn)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。
3 L8 _4 X4 c/ \% n7 d 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(jiàn)不同的銅箔銅牙(粗糙度)相差明顯。
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% \/ Z/ ~: a K. R圖141 H1 C( h, |2 }4 T& c5 T9 y
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7 k+ ], Y5 X/ K( c) u0 I7 | 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 ]" |( E9 `2 i1 E4 \3 f, B
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圖15
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! `6 @( G6 q) y 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(wèn)題，而低表面粗糙度的銅箔就不會(huì)導(dǎo)致類似問(wèn)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。8 V0 V4 Z5 r. i0 N' d( k& N. W
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圖16
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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(kāi)始越來(lái)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。2 |7 r; t' [1 `, {: J
2.3 玻纖布的影響/ N4 x7 a3 J3 r3 J
' Y+ m" U: l7 G' o 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(jiàn)玻纖的微觀放大如下圖17所示。0 h& i+ ?! Z7 Y0 G& T! s0 E) M$ L, J! ~
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圖17
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) j7 B4 Y: }7 z5 c ^ 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(kāi)窗和交織的厚度也不一樣，如果信號(hào)分別布在開(kāi)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(kāi)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。$ \& }$ L' X: s5 E* g3 G
a、玻纖效應(yīng)對(duì)阻抗的影響, W- h8 y2 D4 X) W$ H. c- U, C# R8 o6 P9 w& @! D+ K
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(kāi)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。
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圖182 N' Y0 \! v. G# j
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b、玻纖效應(yīng)對(duì)時(shí)延的影響 s$ d& N/ g) a4 s- S, k/ h
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(méi)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(kāi)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。
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圖19
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# O7 E/ C* C. Q, m1 x' Hc、玻纖效應(yīng)對(duì)損耗的影響, \* [" S5 f: o6 \
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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7 \) a- g j' f8 [3 O圖20
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) b% q, M+ ]( E/ E6 q( X. e- r2 T 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(kāi)窗比較小的開(kāi)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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