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本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯 7 }6 f ~8 m! s) W- O( E
. Y! y4 ^) P8 i- ]* ^2. PCB板材對高速信號電氣性能影響
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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。
0 Q5 l# H- J8 v' ?/ o 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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( P9 S# ?1 t2 v- k1 Y, v' k3 S @圖7 ' Z& l- `, L* y3 V7 j
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。
' U. Z8 H# E/ C
$ j2 z; M! u; [: g0 v圖8
8 q. v9 {/ B/ d6 n! a2.1 Dk&Df的影響9 i O! V% x2 d! H' r
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。9 c* J2 }) M/ [3 b# X% u
! A. z$ c" Y" ]* t) m; i$ {: o
圖9 % u1 v- ~1 ]9 _7 O
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。( l. c; _, O: 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列出，只有不同的材料代號。
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' A# G9 g8 x4 G9 x# {1 L圖10 b" z$ a, {4 R
0 C/ f/ z/ f; z
圖11 ! V* a, c G2 C0 V. s( e
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。
% b7 u! h. V% I6 o 根據(jù)時延公式1可以知道，Dk越小傳播時延也越小（傳播速度快，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。" Z5 t( N8 @/ Q
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。1 b7 i- A; d( n; x+ P. k
& }/ z) A/ R# v. L# R! z% H! }7 @圖12
# d, d7 z1 U% S2.2 銅箔表面粗糙度的影響
+ I. C- i- e0 p& K* c$ E- R; T 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。0 ?+ U4 ]9 b- L) ~
: w! n" _* o( e3 l圖13 4 f; J' A N; H+ x) }7 w
理想和現(xiàn)實是有差距的，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(xì)節(jié)是我們在設(shè)計或仿真時忽略掉了。
* M2 h3 S0 P( s9 i5 [: `$ t 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。! e& p% M3 E! J4 f) p, b
d3 ` C- R8 K2 d0 _1 y$ E+ H* P圖14 $ H7 r$ [' p, W! o
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。
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圖15 ' T7 @! E8 a) A
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。
( _% r% k$ X/ ^& M
( O, Q1 v/ I6 _7 E, \) c9 d圖16
( ?& F2 Y' B0 D3 h) [ b; d R 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。
+ |% ]8 {# c+ C$ ?# e& o9 d2.3 玻纖布的影響
7 A2 ?* @- B) p' 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。
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圖17
7 i0 J- o) Y- o8 ~, S" h 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。! w: i/ D5 F4 D
a、玻纖效應(yīng)對阻抗的影響
1 U4 g5 A+ f6 H% E5 g 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(yán)重。而采用3313玻纖的阻抗曲線比較平整，阻抗比較均勻。
9 n/ s+ `0 Y, _+ L4 U- I$ e
: q: E. ^9 V' V圖18
7 @! K3 Y( }) Y0 R( S: r, \b、玻纖效應(yīng)對時延的影響
. M5 H$ I& v( U4 h% V 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。+ F7 ]! y3 A$ ]
8 M/ D( Z1 f$ Z. x7 o, g& e; N% s圖19 2 ]. z9 }( T0 \2 O% p5 x
c、玻纖效應(yīng)對損耗的影響
' u9 X% L6 }" [3 ]$ 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 r$ \3 ]' M6 b9 R. X1 F" F0 H5 n/ Q
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圖20
7 \1 Q: H5 S. M) L& [, y 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)。% p4 K5 O# A+ i+ r H6 T" v
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