标签: 高速板材

作者  王锐  高速先生团队成员   近日，大家可能都听说了一起香港豪车帮在深圳飙车的事件，交警查扣麦凯伦、法拉利、兰博基尼、GTR等各种豪车11台。   大家可能就要问了，这香港的豪车帮干嘛要跑到大陆来飙车呢？当事司机说了，香港道路窄，限速低，处罚严，听说大陆的路宽，又平坦。于是就申办了一次性临时入境行驶证，感受下驾驶乐趣，体验下巅峰感觉。据监控录像显示，跑车在深圳段的平均时速是214公里/小时左右，那最高时速可就不只214了，从深圳南山到达东莞地界仅用7分多钟。这样的速度，想想确实够巅峰，飞一般的感觉呀。   如果把这些豪车拉上碎石子路，而不是平坦的沥青路，还能不能体检这飞一般的感觉呢？   在高速信号设计中，也有豪车遇上碎石子路的现象，那就是，高速信号遇上了表面粗糙的铜箔。   在实际生产过程中，为了让铜箔能与介电材料(FR4, 玻璃纤维环氧树脂)更好的黏合，在copper与FR4的接合处会有较大的roughness。在PCB设计过程中，工程师或多或少都会考虑一下粗糙度的影响，那粗糙度对信号的影响到底是什么呢？是影响特性阻抗，还是影响损耗呢？影响又有多大呢？ 图(1) 1oz铜的表面粗糙度   图(2) 表面粗糙度微观图   在这里引入一个名词，趋肤深度，表达式为δ_s=√(21⁄πfμσ),f是信号频率，μ是导磁率，σ是导电率。当信号的频率越来越高，信号传输就越来越靠近导体的表面，趋肤深度越来越小，信号传输受粗糙度的影响就越来越严重。   有资料表明，表面粗糙度对特性阻抗影响不大(约0.5 ohm)，对插入损耗影响很大(可能超过30%)，粗糙面(roughness)与平坦面(flat)，在高频(趋肤效应区)对S21的影响可达1~2倍的差距，这样的说法是否合理呢？   下面，我们通过仿真对比，分析一下平坦面和粗糙面对插入损耗的影响：   仿真对象：外层、FR4介质厚度3.5、盖绿油、线长2000mil、铜厚0.5oz+plating、粗糙度1um。   图(3) TDR曲线   图(4) 插入损耗曲线   注：B=blue trace(无粗糙度），G=green trace(有粗糙度)    从曲线和表格中可以看出，粗糙度对阻抗的影响很小；高频的时候，粗糙度对传输线插入损耗的影响在20%左右，近乎五分之一，可想而知，五分之一的影响是很值得注意的，如果在PCB设计中忽略了这个影响，导致的后果将会是非常严重的。   “看得懂的高速设计”是一个自媒体品牌，由一博科技出品。我们用最浅显易懂的方式讲述高速设计的理论与案例。有问题，请微信与我交流，或回复本文。 微信公众号：一博_看得懂的高速设计

    不管是普通板材还是高速板材，我们都需要关注材料本身的一些特性，其中Dk和Df最重要。          Dk即介电常数，又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，在工程应用中，介电常数时常在以相对介电常数的形式被表达，而不是绝对值。常见应用有计算阻抗和时延。     Df又称损耗因子、阻尼因子或内耗(internal dissipation)或损耗角正切(loss tangent)，是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比。通常损耗与DkDf关系密切，如下为损耗的近似计算公式。     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。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。     常用的高速板材有如下一些：     1)Rogers RO4003/RO3003/RO4350(PTFE)等     2)Tuc 862/872SLK/872SLK-SP/883/933等     3)Panasonic Megtron4/Megtron6等     4)Isola FR408HR等     5)Park-Nelco N4000-13,N4000-13EPSI等     6)ITEQ  IT180、IT200等     在实际的工程操作中，高速板材的选择看似简单但需要考虑的因素还是非常多的，通过本文的介绍，作为PCB设计工程师或者项目负责人，如果对板材的特性及选择有一定的了解，那么无疑就是对项目的把控如虎添翼。下面是一些针对高速板材选择的建议：      1)了解板材属性       2)使用合适板材搭建合理层叠       3)通知板厂提前备料，并确认叠层的可实现性       4)当信号速率高，走线长，对损耗有要求的设计，使用普通材料已经没有裕量或者裕量不多时，请考虑选择高速板材      5)闭环验证       最后，使用高速板材(高速设计)需要考虑的因素总结如下：      1)低损耗、耐CAF/耐热性及机械韧（粘）性（可靠性好）      2)稳定的Dk/Df参数（随频率及环境变化系数小）        3)材料厚度及胶含量公差小（阻抗控制好）       4)低铜箔表面粗糙度（减小损耗）       5)尽量选择平整开窗小的玻纤布（减小skew和损耗）       6)用一般的制程即可加工（加工性好）       7)材料可及时获得性      8)环保要求

3. 高速板材选择实例   选择合适的板材主要有如下的考虑：  1)可制造性；   2)与产品匹配的各种性能（电气、稳定性等）；  3)材料的可及时获得性/Time To Market；  4)成本因素/Cost；  5)法律法规的适用性等； 常用的高速板材有如下一些：  1)Rogers RO4003/RO3003/RO4350(PTFE)等  2)Tuc 862/872SLK/872SLK-SP/883/933等   3)Panasonic Megtron4/Megtron6等  4)Isola FR408HR等  5)Park-Nelco N4000-13,N4000-13EPSI等  6)ITEQ  IT180、IT200等       当然还有很多其他的板材，在此就不一一举例了，每种材料都有各自的优缺点，由于篇幅有限也不在此讨论各种材料的优缺点了。上面的Tuc862严格意义上来说并不算高速板材，只是它的参数介于低损耗和普通损耗之间，而价格和普通损耗的材料差异不大，被很多主流公司用来作为降成本的一种方案。       如下是一个简单的板材选择案例，需满足以下的一些基本需求：       高速信号部分有12.5Gbps Interlaken信号、QPI、PCIE3和10.3125Gbps到光口信号；高速信号损耗要求：-0.8dB/inch@4GHz,-1.6dB/inch@8GHz；差分信号阻抗控制有85ohm、90ohm和100ohm(线宽、线间距固定)；4通道DDR4信号；小电压大电流的电源较多，其中0.9V电源最大电流80A；板厚小于2.8mm，6万多Pin的板需要在2个月内完成设计并制板且保证性能。       时间紧迫，第一步就是要先确定使用什么材料才能确定叠层，选择材料的第一原则当然是性价比及交期的考量。我们如果选择普通的板材，Dk/Df为4.2/0.022时仿真的损耗结果如下图所示。         图21       从图21可知用普通材料损耗已经超出了标准，需要用比普通损耗级别更低的中、低损耗材料才能满足要求了。 上面提到过Tu862中损耗材料，从损耗角度来看应该是可以满足要求，但还要看是否能满足阻抗要求，下面图22为阻抗计算的结果。      图22        由上面计算结果可知，虽然Tu862从损耗角度能满足要求，但本案例为了满**期已经固定了线宽，从计算的结果显示需要一个Dk更小的材料才能满足阻抗要求，最后综合各种材料的特性及交期考虑，我们选择了Tu872slk sp(Dk/Df为3.5/0.008,交期正常为2周，其他高速板材正常交期大于2周)，重新计算阻抗及损耗结果如下图23和图24所示。    图23    图24       至此，在满足阻抗和损耗要求、叠层及可加工性后，最终的材料可以确定了，在设计初步定稿后，我们提前通知板厂备料(因为交期和库存原因一般高速板材都需要提前通知备料的)，最终在规定的时间内完成了设计及制板，目前已经全部调试通过。   4. 结论        在实际的工程操作中，高速板材的选择看似简单但需要考虑的因素还是非常多的，通过本文的介绍，作为PCB设计工程师或者项目负责人，如果对板材的特性及选择有一定的了解，那么无疑就是对项目的把控如虎添翼。下面是一些针对高速板材选择的建议：   1)了解板材属性       2)使用合适板材搭建合理层叠       3)通知板厂提前备料，并确认叠层的可实现性       4)当信号速率高，走线长，对损耗有要求的设计，使用普通材料已经没有裕量或者裕量不多时，请考虑选择高速板材      5)闭环验证       最后，使用高速板材(高速设计)需要考虑的因素总结如下：       1)低损耗、耐CAF/耐热性及机械韧（粘）性（可靠性好）       2)稳定的Dk/Df参数（随频率及环境变化系数小）         3)材料厚度及胶含量公差小（阻抗控制好）        4)低铜箔表面粗糙度（减小损耗）        5)尽量选择平整开窗小的玻纤布（减小skew和损耗）        6)用一般的制程即可加工（加工性好）        7)材料可及时获得性       8)环保要求       以上的结论为一般的通用建议，具体情况需要具体分析，针对不同设计需要不同的材料，在高速设计里不能一概而论，除了靠经验之外，仿真也能帮助我们更精确的判断设计需要具体哪种材料。

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。   图7       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。 图8 2.1  DkDf的影响       DkDf在上面部分已经介绍过，介质损耗与DkDf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。 图9       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。   图12 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。   图13       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。   图14       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。   图15       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。     图16       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。   图17       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。 图18 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。   图19 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。   图20       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。

本文作者：一博科技  周伟   摘要：       随着电子设计、通讯领域的高速发展以及云计算的应用，产品对数据量的要求越来越高，数据传输率也越来越快，同时也要求承载数据传输的PCB性能越来越高。板材的应用直接关系PCB及系统的稳定性、成本，需要我们对材料有全面的认识；本文从PCB构成，板材的大致分类及常规特性，影响高速性能的因素及仿真测试对比，最后以实例来阐述在工程应用中如何选择适合设计要求的高速板材。   关键词：      高速板材，Dk，Df, 表面粗糙度，玻纤效应，仿真验证     引言：       当信号达到一定速率以上，在PCB上尤其是背板上需要走比较长的路径时，如果使用普通的板材可能已经满足不了要求，这个时候就必须要用低损耗的板材，我们又叫高速板材，到底什么是高速板材，高速板材关注哪些参数，以及什么时候需要使用高速板材？本文将围绕材料的参数以及影响高速性能的因素着手，以仿真和测试为手段全面解释我们在工程中该如何去选择高速板材，从而满足产品的最佳性价比。   1.  PCB板材及参数特性       印刷电路板（PCB）是以铜箔基板( Copper-clad Laminate 简称CCL )作为原料而制造的电器或电子的重要机构组件。最基本的构成如下图1所示。 图1       如上图1所示为一个基本的4层板结构，大致由铜箔（Copper），半固化片（PP）和芯板（半成品，PP+铜箔）构成，经过一定的加工就形成了我们熟悉的PCB，如下图2所示。 图2 1.1 PCB板材分类       PCB种类繁多，按照不同的分类方法可以分成多种类型，最常见的有按照基板类型、玻纤类型、供应商树脂体系、损耗和阻燃级别来分，当然还有其他的分类，本文不做重点介绍。       按照基板类型分成刚性基板和柔性基板，本文主要介绍的是刚性基板，如下图3所示。       刚性基板：一般刚性基板材料的重要品种是覆铜板。它是用增强材料(Reinforeing Material)，浸以树脂胶黏剂，通过烘干、裁剪、叠合成坯料，覆上铜箔，用钢板作为模具，在热压机中经高温高压成形加工而制成的。       柔性基板：柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board）是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路。 图3 按玻纤布类型分类有 106、1067、 1080、1078、2116、2113、3313、7628等； 按供应商所用树脂体系及其性能分类有如下种类：       Rogers RO4003、RO3003、RO4350(PTFE)等       Tuc 862、872SLK、872SLK-SP、TU883、TU933等       Panasonic Megtron4/Megtron6等       Isola FR408HR/408等       ShengYi S1141/S1000-2等 按损耗级别分类：       普通损耗板材、中损耗板材、低损耗板材、超低损耗板材等；       低损耗及超低损耗板材我们通常就叫高速板材，是根据损耗的级别来划分的。 按阻燃性能分类：      阻燃型（UL94-VO,UL94-V1) 和  非阻燃型（UL94-HB级） 按不同的铜箔分类：如下表1所示。 表1 1.2、PCB需关注的材料参数       不管是普通板材还是高速板材，我们都需要关注材料本身的一些特性，因为他们最终会影响PCB的性能及适用性。        Dk Df       Dk即介电常数，又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，在工程应用中，介电常数时常在以相对介电常数的形式被表达，而不是绝对值。常见应用有计算阻抗和时延。   公式1                                          公式2       Df又称损耗因子、阻尼因子或内耗(internal dissipation)或损耗角正切(loss tangent)，是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比。通常损耗与DkDf关系密切，如下为损耗的近似计算公式。                                       公式3       玻璃化转变温度（Tg)       FR-4板的Tg值一般在130-140度，而在PCB制程中，有几个工序的问题会超过此范围，对制品的加工效果及最终状态会产生一定的影响。因此，提高Tg是提高FR-4耐热性的一个主要方法。其中一个重要手段就是提高固化体系的关联密度或在树脂配方中增加芳香基的含量。在一般FR-4树脂配方中，引入部分三官能团及多功能团的环氧树脂或是引入部分酚酫型环氧树脂，把Tg值提高到160-200度左右。如下图4为用DSC法测试的Tg值。 图4        热膨胀系数（CTE）       随着印制板精密化、多层化以及BGA,CSP等技术的发展，对覆铜板尺寸的稳定性提出了更高的要求。覆铜板的尺寸稳定性虽然和生产工艺有关，但主要还是取决于构成覆铜板的三种原材料：树脂、增强材料、铜箔。通常采取的方法是：       （1）对树脂进行改性，如改性环氧树脂；（2）降低树脂的含量比例,但这样会降低基板的电绝缘性能和化学性能；铜箔对覆铜板的尺寸稳定性影响比较小。        耐CAF性能       离子迁移（Conductive Anodic Filament 简称CAF），最先是由贝尔实验室的研究人员于1955年发现的，它是指金属离子在电场的作用下在非金属介质中发生的电迁移化学反应，从而在电路的阳极、阴极间形成一个导电通道而导致电路短路。随着电子工业的飞速发展，电子产品轻、薄、短、小化，PCB的孔间距和线间距就会变的越来越小，线路也越来越细密，这样一来PCB的耐离子迁移性能就变得越来越重视。CAF主要发生在如下图5所示四种情况。 图5        离子迁移对电子产品的危害        1）电子产品信号变差，性能下降，可靠性下降。        2）电子产品使用寿命缩短。        3）能耗提高。        4）绝缘破坏，可能出现短路而发生火灾安全问题。        环保要求 欧盟RoHS指令：     主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护，该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅(Pb)，镉(Cd)，汞(Hg)，六价铬(Cr6+)，多溴联苯(PBBs)和多溴联苯醚(PBDEs)共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。     该标准已于2006年7月1日开始正式实施。  WEEE指令：     报废的电子电气设备指令 欧盟REACH法规-No SVHCs     是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规。已于2007年6月1日正式实施。     如下图6所示为常见环保要求的标志。 图6