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本帖最后由 edadoc 于 2014-10-17 16:43 編輯 0 C) A$ d( v2 `
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2. PCB板材對高速信號電氣性能影響$ ?$ V$ L3 t, i. s0 Y4 p
9 [7 p' D; X0 j5 \6 { 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。6 Y e$ Q. |" h# m+ {
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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圖7
1 ~; o- m5 Z/ Z& B2 a2 e4 n1 T 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。/ e. E% |- p- k" ~# G
7 }+ U1 I/ b7 k' ~7 @+ A0 B圖8 8 ~& Z7 z1 ^ o$ M' x
2.1 Dk&Df的影響, W" A* @$ R9 n, p2 T/ Z
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。
3 q- d, ]& Y, H+ y, G- C N6 ]+ ?4 c+ c
圖9
0 ~) Z) q! v/ m% H" I" g 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。2 y' L/ J& Z( {0 p/ I; \
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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圖10 * U- c, Q( n$ y3 U% s: A2 h
' ^9 w, s; u/ k+ d0 V2 h
圖11
% \6 H$ B$ N# O0 _' m" W 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。
6 D5 ]! S% Q( l* ~ 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�，需要的時間就�。瑫rDk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。% C# b9 u7 O' v6 o* ~1 a
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。3 l8 }, K. B' l! K. K H( D( ]
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圖12 9 ~6 i# S$ i) u7 V0 j3 q
2.2 銅箔表面粗糙度的影響7 a7 M! E" e8 ~0 C# E; D0 z/ z0 b0 ~
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。 B" |+ D% B* |# \8 y1 s8 M
9 R; w) X7 `* [& L- g6 f圖13
6 K1 ^% ]3 Y5 ^! s; [0 `! h. `$ [# a 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。
- {. y- v0 p& u 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。7 c+ ?7 i, P8 ?
1 B1 \- f9 A2 `( s; b圖14
) Q* N* {3 O: n, } 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。0 B4 }. y& X0 G& r+ n
. d! E) {7 J4 J& w) l圖15
8 q! g6 F O% L/ P3 n 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。
2 m5 n O1 C( a8 T0 f4 ^, B/ Q
, B& {8 l3 K3 Z2 w5 l圖16 , d+ p' n& ^& R8 C4 T* j
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。5 q: M% f7 ]2 r4 v. h A/ k
2.3 玻纖布的影響
3 Y: c: H: F r O* m 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 1 Y- L. c( D9 T
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。8 O+ K3 a7 Q( j
a、玻纖效應(yīng)對阻抗的影響
1 \1 Z- B8 h; N0 n5 b( l* ` 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。2 Q8 \9 u$ Q" N+ w# T3 W$ U+ r6 ]
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圖18
, a4 t1 H6 L1 n$ N4 k1 |4 X5 Qb、玻纖效應(yīng)對時延的影響
9 L: E' C% z# f! Q3 q* 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(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。
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$ j" D; x. H, v& A: S. u& |, j0 c: Y圖19 8 _9 I- ?& O& Y! y/ p- U- f
c、玻纖效應(yīng)對損耗的影響% ^8 S; E& ]3 R& p: `1 f
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。( w/ ]# W3 Q. t
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圖20 * E( Y3 w: Q+ E/ k
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)。) d9 }& g. I% D8 J6 U
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