原创 如何选择高速板材(中)

作者：一博科技 周伟

2.  PCB板材对高速信号电气性能影响

      众所周知，高速信号关注传输线损耗、阻抗及时延一致性，最后在接收端能接收到合适的波形及眼图，只要满足了上面几点要求，那么高速信号的问题就可以迎刃而解了。
      传输线损耗通常分为介质损耗、导体损耗和辐射损耗，介质损耗主要是由玻纤和树脂带来的，而导体损耗主要是由趋肤效应和表面粗糙度影响的，如下图7所示。

 

      下图8所示是我们通过微观切片所看到的PCB的截面结构，从图中可以看到信号线的表面是非常粗糙的（人为增加粘结性），以及构成PP的玻纤和树脂（玻纤和树脂的Dk/Df特性不一致），这些因素都会影响我们的高速信号电气性能。

2.1  Dk&Df的影响
      Dk&Df在上面部分已经介绍过，介质损耗与Dk&Df有直接关系。下图9所示为几种材料在20GHz内每inch对应的损耗曲线，其中蓝色曲线为总体损耗，绿色曲线为介质损耗，红色曲线为导体（铜箔）损耗。

      从上面图9可以看到由于导体是一样的，不同材料的导体损耗是相同的（红色曲线），但随着材料的损耗级别越低，介质损耗越小，介质损耗与总体损耗的占比也越小，在超低损耗材料的损耗曲线中，介质损耗甚至比导体损耗还小。
      如下图10和图11为几种常见材料的Dk/Df随频率和温度变化的曲线，为公正起见，没有将具体材料的型号列出，只有不同的材料代号。

图10

图11

     一般来说，我们要求Dk/Df越稳定越好，也就是说Dk/Df不随频率及温湿度（环境）变化影响太大，反应在图形上面即是图形的斜率越小越好，如果是水平的曲线那就是完美了。
      根据时延公式1可以知道，Dk越小传播时延也越小（传播速度快，需要的时间就小），同时Dk的变化率越小阻抗也越稳定，有利于阻抗的控制（公式2）。而从损耗公式（公式3）我们也可以知道Dk/Df越小（稳定），损耗也越小（稳定），稳定的材料参数可以在工程应用上更好的控制产品的性能。
如下图12所示为同样的12inch线长，使用上面不同损耗级别的材料所测得的损耗曲线，可知当在10GHz的时候，普通FR4(普通损耗级别)的损耗为-15dB,而如果使用TU（低损耗级别）的损耗仅-7.5dB，如果此时有个高速信号要求插损在10GHz的时候需要小于-12dB,那么使用普通FR4的材料就不能满足要求，必须使用损耗级别更低的材料。

 

2.2  铜箔表面粗糙度的影响
      如上图8所示的微观切片所示，铜箔的表面是比较粗糙的，而我们在设计或者仿真的时候通常是以光滑的表面为模型，如下图13所示。

 

      理想和现实是有差距的，这就是为什么我们经常认为自己的设计或者仿真结果是没有问题，但实际产品却有各种各样的问题，其中必然有很多细节是我们在设计或仿真时忽略掉了。
      下图14是几种常规的铜箔对表面粗糙度的定义，其中有STD(标准铜箔)、RTF(反转铜箔)和VLP/HVLP(低/超低表面粗糙度铜箔)，可见不同的铜箔铜牙(粗糙度)相差明显。

 

      如下图15所示为普通铜箔与低表面粗糙度铜箔的切片放大图。

 

      从图中可以直接看出铜箔粗糙度(铜牙)使线路的宽度、线间距不均匀，从而影响阻抗的不可控，最后导致一系列的高速信号完整性问题，而低表面粗糙度的铜箔就不会导致类似问题。如下图16是对同样的材料不同的铜箔进行的仿真比较。

   

      从仿真结果可以看出在5GHz以下铜箔的影响不是太明显，但在5GHz以上铜箔的影响开始越来越大，所以我们在高速信号(尤其>10G)的设计和仿真中需要注意铜箔的影响。
2.3  玻纤布的影响
      目前主流的材料都是采用的“E-glass”,参照的IPC-4412A规范，本文也是主要针对的E-glass的玻纤介绍。常见玻纤的微观放大如下图17所示。

 

      从上图17可知不同的玻纤对应的编织粗细不一样，开窗和交织的厚度也不一样，如果信号分别布在开窗上和玻纤上所表现的特性(阻抗、时延、损耗)也不一样（开窗和玻纤Dk/Df特性不一样导致的），这就是玻纤效应。玻纤效应的影响主要表现在如下几种方式。
a、玻纤效应对阻抗的影响
      如下图18为同一叠层对应不同玻纤的阻抗测试结果，同样的3.5mil线宽，采用1080和3313的玻纤布，可知因为1080的开窗比较大，所测试的TDR阻抗曲线跳变比较大，阻抗不匹配比较严重。而采用3313玻纤的阻抗曲线比较平整，阻抗比较均匀。

b、玻纤效应对时延的影响
      如下图19为一对差分信号在玻纤上的分布示意图，左下部分表示的是没有玻纤效应的影响，差分信号和共模信号完美，而右下角为有玻纤效应的影响，由于差分信号上的一根在玻纤上，另一根在开窗上，时延不一致造成了不同时到达，最终影响了差分信号和共模信号的正常接收。

 

c、玻纤效应对损耗的影响
      如下图20为不同损耗级别下的材料对应不同玻纤的损耗曲线。右边图示可知不管是中损耗的材料还是低损耗的材料，采用普通的玻纤(红色)比采用平织布玻纤(蓝色)的损耗都要大。

 

      综上我们在高速信号的设计上应该尽量避免玻纤效应的影响，常用的方法是采用一定角度走线或者在制板的时候让厂家旋转一定的角度(板材的利用率会有一定的下降)；或者直接采用开窗比较小的开纤布或者平织布，此外用2层PP也可以适当的避免玻纤效应。