|
|
本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯
& {+ C. S/ n' |5 s% [/ K/ I5 o P# q4 s" A" G
2. PCB板材對高速信號電氣性能影響
A( m+ _/ z0 r
9 h3 M( p% e' P 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要求，那么高速信號的問題就可以迎刃而解了。" S) V r& M" ~% d0 R
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。( u8 U9 t, ]9 p2 r$ A3 B ]6 ?' `4 }
, t$ {$ X9 m0 \8 S/ C0 C7 x" Q$ d0 e
圖7 1 S( _# V* v% E' o j2 Z* g
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。3 R( {" B* \8 K9 [! t9 O: b
+ u$ Y( P. @5 Q4 f# u p( [; H
圖8 ) J1 [( G c' }) e' \' y1 A+ P
2.1 Dk&Df的影響
* i* O6 W) r9 u5 G4 A/ D% @ 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。
% I, _! s* i2 J' l" W! O4 t1 C& @9 K4 m6 Y# J
圖9 " c, J. G' \, ]" B
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。
% ~, t8 y' g5 J0 c) i" C 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。
4 P: ~! ~' p5 [4 l: o2 r- P- x' R& c
圖10
: c! v, T7 C9 A& {
9 {! w6 h9 l& R圖11 * O; O0 g* h# Q. Q
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。% s! h- z% j# W4 ]6 p
根據(jù)時延公式1可以知道，Dk越小傳播時延也越�。▊鞑ニ俣瓤欤枰臅r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�。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。7 k+ g( r$ `7 B) \
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。
2 R3 W1 N4 R. c8 _+ x$ T* H) e' d2 n! W6 ~
圖12
|) Y# R/ D1 S- p: y2 A2.2 銅箔表面粗糙度的影響
: ]2 I$ f" |' 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，而我們在設(shè)計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。
; ~6 `2 V" a+ {/ a4 Z/ K) `4 d( v" Y( a' l/ \% N9 U
圖13 4 u( e' s" z" m5 j
理想和現(xiàn)實是有差距的，這就是為什么我們經(jīng)常認為自己的設(shè)計或者仿真結(jié)果是沒有問題，但實際產(chǎn)品卻有各種各樣的問題，其中必然有很多細節(jié)是我們在設(shè)計或仿真時忽略掉了。9 M" q* P8 z6 r: t! } b) x
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(標準銅箔)、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。, G% `. g' Y. x( r6 E
. g6 Z: _9 d' z: c! v- u+ {圖14 . {( J- `* |# [ t" ?/ T
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。, C4 h% J* c( d4 t: V- ^3 f/ C! }4 h
J/ V! ?) X* K$ H4 ]* N/ b
圖15
2 B$ n0 z' b/ X2 h1 _ 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行的仿真比較。
0 a2 ]& E, g+ l7 D, z _6 ?+ i3 d! r B$ x/ U1 x) v' V
圖16 1 D( ~' b7 S0 X9 i
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)計和仿真中需要注意銅箔的影響。
6 s* } o# @/ }- }2.3 玻纖布的影響9 f% E" Y1 O L' w1 K7 D
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。+ i# t2 P9 z4 ^/ C0 {
! G U& N9 v; n& [3 n( ]1 Z! K圖17
+ F. g% t2 B6 P* I 從上圖17可知不同的玻纖對應(yīng)的編織粗細不一樣，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。
( J& o5 w, }7 B7 k( Qa、玻纖效應(yīng)對阻抗的影響; @( |" D8 z ~8 ?
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，可知因為1080的開窗比較大，所測試的TDR阻抗曲線跳變比較大，阻抗不匹配比較嚴重。而采用3313玻纖的阻抗曲線比較平整，阻抗比較均勻。9 T' ]) l. D. ]5 J' Q
( r& |7 q8 c$ F4 F! [9 K圖18
* |$ T o3 k' {/ \" e" O2 |( tb、玻纖效應(yīng)對時延的影響0 \% Z& q& a# o
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，最終影響了差分信號和共模信號的正常接收。( [" a/ J& y, P* e
# ~7 m# ^! `, g$ A8 }
圖19
& `: S: ~2 B3 V) ]+ B4 Nc、玻纖效應(yīng)對損耗的影響9 @: ~. }1 i/ s! s% N# x
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(藍色)的損耗都要大。
9 T3 X5 C h) h4 h& K- Q
& r2 q" ]1 o: F) E. r5 L2 V圖20 4 s, K) K) B' Y+ ~$ ~" P; U5 e
綜上我們在高速信號的設(shè)計上應(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)。
. V! G! L4 z; n" t+ t |
|
電子產(chǎn)業(yè)一站式賦能平臺
窺視卡
置頂卡
變色卡
