PCB材料介绍
PCB基材的类型较多,但基本上主要有三种主要成分构成:
树脂–环氧树脂
增强材料–玻璃纤维
导体–铜箔
传统的PCB介电层经常以玻璃纤维编织,再以环氧树脂包覆而成。玻璃纤维和环氧树脂共同决定了介质层的Dk,Df。宏观上一般以固定的(constant)相对介电系数来表示其特性,比方e=4.4
1GHz,但对于数GHz的高速差动讯号来说,如果走线是沿着玻璃纤维编织方向呈0或90o,这时差动对个别正负讯号的特性阻抗会因为电场流动的路径上,在微观所感受到介质结构(特性)不同而不同。2玻璃纤维玻璃纤维布是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的,其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米,相当于一根头发丝的1/20-1/5,每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。
玻璃组成成分、纱丝的直径,纱线类型,编织图案差异等,使玻璃纤维布种类繁多,玻璃纤维布对基材的影响主要取决于这些变量,另外,织物的数目,经纱和纬纱的数目,也对玻璃纤维布和基材的性能有很大的影响。
从单纯织物角度来看,玻璃纤维的编织尺寸最为直观,对信号的影响也最大。
以此分类,PCB中常见的玻璃纤维布有如下种类:
3Glass-Fiber怎么会影响信号质量
如下图所示,以差分对信号线为例说明:上面一根传输线下方区域都有玻璃纤维编织,而下面的线下方则除了玻璃纤维外,还有环氧树酯。也就是上面线受玻璃纤维的介电系数影响为主,下面线还受环氧树酯的介电系数影响,两者的介电系数完全不同。
一般来说,Glass的介电常数要高一些,大约6,而树脂的介电常数比较低,大约3左右。
介电常数的差异,会造成差分对信号线彼此间的特性阻抗与传递时间延迟不匹配,进而影响到眼图。
虽然weaveeffect只对于非常高速与很长的差分信号有影响,但实际情况是,weaveeffect会多少吃掉一些designbudget,降低designmargin。
二Glass-Fiber对信号质量的影响
近年的DesignConPaper也有一些过于Glass-Fiberweaveeffect的文章,其结论可以用来参考,主要包括下面几个方面:(以下内容来源于DesignConPaper,其结论来自于HFSS仿真)
1对阻抗的影响
仿真对比了几种不同的玻璃布对传输线阻抗的影响,从仿真结果来看,的阻抗变化最大(Max-Min,Range),阻抗变化最小。
那么,是不是由此可以推论,实际PCB中,如果使用或更差的介质材料,会不会导致PCB阻抗控制比较难,比如对于欧姆的信号线,基于其在PCB中玻璃布编织的位置不同,有些传输线可能欧姆,有些可能91欧姆,有些或许欧姆,虽然都满足10%的阻抗控制要求,但是其变化非常大。可惜这一点暂时还无法验证,一些PCB板厂的结论是玻璃布种类对阻抗的影响非常小,小到可以忽略不记。
Whichoneisright?
2对信号Skew的影响
来对比(x1)和(x2)的区别,从上到下四张图分别代表CommonmodeImpedance分别为25Ohm,30Ohm,35Ohm,40Ohm。差分阻抗为Ohm。
仿真结论如下:
由此,至少可以得出如下结论:
玻璃布种类对Loss影响很小。
比的Skew要大很多。
对于同一种类玻璃布,线宽/间距越小,Skew越小。
三如何避免WeaveEffect
1.避免使用,,5,and这种类型的glasscloths.使用编织密度较高的denseweavestyles,比如,,等。
2.旋转整体设计,让走线方向与板材编织方向有夹角,但是会导致Cost上升
3.调整差动讯号对的走线宽、走线距离,以避开weaveeffect
一般差分信号特性阻抗要求85~ohm,如果线宽与线距设计较宽,实务上很难有够厚的介电层可以匹配,而如果调小走线宽度,会对系统LOSS有影响,而且这种方法很难控制。
4.在设计时间尽可能让高速差动对讯号的走线方向,与glassweave方向有夹角
5.Forstriplinetraces,usetwodifferentweaveswithdifferentpitchesfortopandbottomsubstratestoaverageouttheeffect.
6.Offsettracesbytheintra-pairspacingforcingeachtraceontothepaththatitsneighborwasonirrespectiveoftheglasspitch.
7.对于两层玻璃布在一起的设计,比如x2,可以相对移动一层玻璃布的相对位置(Offset),使其互补。
仿真结果显示对Skew改善效果很明显:
虽然看起来方法比较多,然而,要么成本太高,要么实现起来很困难,后面几种方法似乎看起来很有效,然而和国内PCB板厂讨论,实施起来还非常困难,看来,我们还有很长的路要走。
目前可以切实应用到PCB设计中的方法,还是以第一点,第四点比较常见。
四总结Glass-FiberweaveEffect对于低速信号的影响可以忽略不计,而当信号速率上升为10Gbps,25Gbps甚至56Gbps以后,其影响开始显现,一旦系统Margin比较小,就会引起系统运行异常(高低温工作异常,丢包等等)。
而因为其影响处于整个系统设计的前端,一旦设计完成,后期更改会非常麻烦和昂贵,所有需要设计者在设计之初就能注意到这个问题,并进行适当评估。
五参考资料网际星空_电子站
"PCBDielectricMaterialSelectionandFiberWeaveEffectonHigh-SpeedChannelRouting",,AlteraAN
"TheImpactofPCBLaminateWeavePaper",DesignCon
"Intra-pairUnaccountedSkew--EffectsandSuppression",DesignCon