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, @7 @* a7 O( b+ u6 A/ T9 f本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯
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: [. r- h+ d$ w$ w2 h6 K2. PCB板材對高速信號電氣性能影響7 C/ _9 |" H- j% Q' b& g$ w& l: w1 K7 m: S4 O/ c& i, P! {
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眾所周知，高速信號關注傳輸線損耗、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 r
1 z' Y7 Y4 J) G( f- D7 ^ 傳輸線損耗通常分為介質損耗、導體損耗和輻射損耗，介質損耗主要是由玻纖和樹脂帶來的，而導體損耗主要是由趨膚效應和表面粗糙度影響的，如下圖7所示。
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圖7
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, O1 z5 p. L+ Y; ?; j3 M7 H 下圖8所示是我們通過微觀切片所看到的PCB的截面結構，從圖中可以看到信號線的表面是非常粗糙的（人為增加粘結性），以及構成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。7 e" G- c5 _" Q
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圖8' s) G) A' K: q6 y& Q, z
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2.1 Dk&Df的影響2 ` d$ e( Z" m: x3 o
Dk&Df在上面部分已經介紹過，介質損耗與Dk&Df有直接關系。下圖9所示為幾種材料在20GHz內每inch對應的損耗曲線，其中藍色曲線為總體損耗，綠色曲線為介質損耗，紅色曲線為導體（銅箔）損耗。+ D" Q6 \* K% Z; l$ f1 Y
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圖9
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- }7 B0 c6 \0 C$ _) b7 j 從上面圖9可以看到由于導體是一樣的，不同材料的導體損耗是相同的（紅色曲線），但隨著材料的損耗級別越低，介質損耗越小，介質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，介質損耗甚至比導體損耗還小。
& n( a* N* {$ C$ ?3 J7 M) 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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: j7 ~9 k" P a" w圖10
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# H" l; g! A/ K% r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! p) n( j( u) d4 Q H! ^- p
根據時延公式1可以知道，Dk越小傳播時延也越�。▊鞑ニ俣瓤�，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�。ǚ�(wěn)定），損耗也越�。ǚ�(wěn)定），穩(wěn)定的材料參數可以在工程應用上更好的控制產品的性能。
% P0 g9 |) f9 C6 M& {: x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。
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: g' g& @% T. J# n圖12 L2 ?8 f! h) T% T' A2 h4 s5 c8 N6 C7 Q
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2.2 銅箔表面粗糙度的影響( \. t' s4 S7 N0 f) f7 u5 g3 q0 V. K
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
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圖13
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理想和現實是有差距的，這就是為什么我們經常認為自己的設計或者仿真結果是沒有問題，但實際產品卻有各種各樣的問題，其中必然有很多細節(jié)是我們在設計或仿真時忽略掉了。8 Z! A3 ~, O. y. e
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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圖149 V1 ]( g/ e3 c x E, {
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. Y) s1 o3 V# G4 c9 U 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 ]" |1 q+ p! L6 k/ x k. \5 b& F. K
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圖159 c! ]9 z9 ]& I* ~1 V
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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。3 V2 s9 D( p q1 Y3 m( r, `
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圖161 R/ P7 p9 A, B& F$ U* ]
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從仿真結果可以看出在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)的設計和仿真中需要注意銅箔的影響。4 X. ]) j ^- {/ U8 P1 I
2.3 玻纖布的影響/ N4 x7 a3 J3 r3 J
; O5 H; b/ l; G& Y* t" x0 c 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
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圖17
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從上圖17可知不同的玻纖對應的編織粗細不一樣，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特性不一樣導致的），這就是玻纖效應。玻纖效應的影響主要表現在如下幾種方式。7 Z; S, F. j7 P5 }# h$ w) g1 G; R! U
a、玻纖效應對阻抗的影響, W- h8 y2 D4 X) W$ H. c- U5 R1 B- Q% i6 u7 F& R# b1 v% f* }
如下圖18為同一疊層對應不同玻纖的阻抗測試結果，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。
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圖18
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b、玻纖效應對時延的影響# V6 }' y6 ?% \" j6 F; }
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的影響，差分信號和共模信號完美，而右下角為有玻纖效應的影響，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。' m- G. O4 f+ }# B! Y
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圖19
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6 d+ h d* ?! R zc、玻纖效應對損耗的影響* G* Q1 x( f+ t) ~1 A
如下圖20為不同損耗級別下的材料對應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。4 r6 D) V4 D# g
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圖206 U# J, l: r: l* `+ P$ Q$ ?, v
, Z, X: E9 D m- ` P' H1 R) g 綜上我們在高速信號的設計上應該盡量避免玻纖效應的影響，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也可以適當的避免玻纖效應。) |
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