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本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯
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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: w5 G! o+ m [4 y1 Z( @7 O3 ^
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: M/ d3 ?& s4 H% c7 z; } 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。$ U) t' B# l5 R5 q9 J9 k1 r8 x& z7 i0 j! T9 F9 U
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。- N( i/ U! P* d4 V/ r2 Z( k1 G5 L
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圖7
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4 L2 p0 O5 i* O/ z4 ? 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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圖8
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2.1 Dk&Df的影響& `+ q! p# D! f6 h
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/ I8 {- D0 a$ W, h. p
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: M3 k! W! B6 ]1 d圖9
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' j& D! R' u3 r: @( r 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。
% O1 j5 r9 H4 O6 d2 c" F1 U& y( a 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
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0 d1 R, X2 b% w2 w圖104 ]. J6 |! I l6 s% `& C- r: a0 W
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圖11
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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
0 K/ \1 ?) a* N3 S" r* @0 p& T 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�。�，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。8 k. q- y5 T1 S$ w
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。8 H4 E" X2 H% x
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9 h W+ G2 O& a+ x! l; S/ X圖12. h( W( r5 I) G1 R, |
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( p0 a$ m5 m$ a4 p2.2 銅箔表面粗糙度的影響( \. t' s4 S7 N
2 \. X4 X8 i9 V2 S! c 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。! _5 b0 u: h' ]; h, u, n/ D) `& i# |1 x% E. q
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! z- @7 U$ W7 k; {1 K& V圖13! M% e, I4 G. L
% t% ]3 _9 O/ P6 _ 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。
1 Y, c; V9 i8 E8 Q 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。9 g _5 ^' T2 j+ Q
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9 z4 j7 P- D* @2 h' |% f圖14
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! a2 Y- v' i2 t0 ? o6 h b 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 ]" |! M: F8 y6 t4 G4 z; F0 ?
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圖15) H }( \/ r( ]6 J4 [
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+ M. z2 g4 a2 R0 X% e3 V7 w 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。
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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 Y1 o: l; N1 W5 H3 O
2.3 玻纖布的影響/ N4 x7 a3 J3 r3 J
2 L1 d( ~1 z7 B- K! \. m* B 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; d0 ~) ^: @- M. u) U( L5 J) I1 z
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6 }, a9 R5 E q) a4 s圖17! {9 p& C3 J. R* R& s
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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。& M# j* g+ V# A2 H( ]4 G! k
a、玻纖效應(yīng)對阻抗的影響, W- h8 y2 D4 X) W$ H. c- U* F( o) H g! u8 \$ V, Q2 O
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。
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9 r+ i2 [! `. |5 A4 M6 z圖182 M! k1 |9 u2 \6 g6 _
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b、玻纖效應(yīng)對時延的影響
# e+ Y9 g# @: y5 @ 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。0 v+ e9 Y! i5 X- B
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9 f! k" f# }; F/ }3 c% A" z圖19 n! ]& q7 @& Z3 U. X
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c、玻纖效應(yīng)對損耗的影響5 ^4 S' H2 M$ C& ~% E& \
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" x7 H2 O& L4 B
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圖20# ]2 \' z$ i5 {! z9 z
! ]( g- r9 ?! w; `$ 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)。) |
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