pcb钻孔披锋改善报告_高速高频PCB技术 || 玻纤效应对高速信号的影响
摘要：PCB信號傳輸的高頻和高速化發展對印制電路板材料的選擇、設計及制作提出了更高的要求，尤其是100G骨干網的發展，印制電路板上差分阻抗線要實現25Gbps的傳輸速率。當系統總線上的信號速率提升到Gbps級別時，之前電子工業界認為的PCB介質層是均勻的假設不再適用，PCB介質層是由嵌在環氧樹脂中的玻纖束交織混合而成，玻璃纖維束之間的間隙會導致介質層相對介電常數的局部變化（玻纖效應），在高速傳輸時會對信號產生不可忽視的影響。本文分析探討了不同規格玻纖布的玻纖效應對傳輸線阻抗波動的影響及其對差分信號Skew值的影響程度，對比了扁平玻纖布及NE-Glass玻纖布對阻抗波動及差分Skew的改善效果，并分析了不同布線方式對Skew值的改善，提出了減少差分Skew的處理方法，可為高速信號傳輸的選材及設計優化提供依據。
關鍵詞：玻纖效應 ；高速信號；阻抗波動；差分Skew
01/前言
無線通訊、電子信息產品的不斷升級換代及信號傳輸的高速化、高頻化發展，對PCB阻抗控制和信號完整性提出了更高的要求。目前，骨干網傳輸速率已經高達100Gbps，相應的PCB單通道傳輸速率高達10Gbps或25Gbps，且信號傳輸速率還在不斷的朝著高速化方向發展。對于PCB板上傳輸的數字信號來說，電子工業界應用的包括FR4在內的許多電介質材料，在低速低頻傳輸時一直被認為是均勻的。但當系統總線上電子信號速率達到Gbps級別時，這種均勻性假設不再成立，此時交織在環氧樹脂基材中的玻璃纖維束之間的間隙引起的介質層相對介電常數的局部變化將不可忽視，介電常數的局部擾動將使線路的時延和特征阻抗與空間相關，從而影響高速信號的傳輸[1-3]。目前，國內外PCB廠家對玻纖效應影響信號質量研究很少關注，對于玻纖布結構對信號的影響研究也只停留在理論分析階段。基于FR4測試基板的測試數據表明，由于微帶線與玻纖束相對位置差異，導致測量所得的傳輸線有效介電常數波動較大，最大、最小值之差最大可以達到△εr=0.4。盡管這些空間擾動看上去較小，它會嚴重影響數據速度為5-10Gbps的差分傳輸線[4]。
本文先對目前電子玻纖及其帶來的玻纖效應進行簡介，并通過設計實驗，分析探討了不同規格玻纖布的玻纖效應對傳輸線阻抗波動的影響及其對差分信號Skew值的影響程度，對比了扁平玻纖布及NE-Glass玻纖布相對于常規玻纖布對傳輸線阻抗波動及差分Skew的改善效果，并分析了不同布線方式對Skew值的改善，提出了減少差分Skew的處理方法，可為高速信號傳輸的選材及設計優化提供依據。
1.1 電子玻纖簡介
印制電路板的基礎材料是覆銅板，目前最常用的FR4覆銅板是以電子玻纖布為增強材料，浸以環氧樹脂，單面或雙面覆以一定厚度的銅箔，經熱壓處理而成的板狀材料。玻纖布是基板材料的骨架，它可以提高基板材料的強度，同時維持其結構穩定性。目前，覆銅板中應用的電子玻纖布主要有E-玻纖布（Electrical Glass, E-glass）、扁平E-玻纖布（Miracle Super Glass, MS-glass）和NE-玻纖布（NE-glass）三種。
常規的E-glass是由玻纖紗織布而成的，即采用經紗（warp）和緯紗（waft）織成“網狀”布，這種類型的玻纖布存在高密度玻璃纖維區、低密度玻璃纖維區和無玻纖區（如圖1所示）。由圖1可以看出，經緯紗交接點為高密度玻纖區，單根紗（經紗或緯紗）區域為低密度玻纖區，經緯紗之間的空隙即為無玻纖區。由于E-glass具有良好的電氣絕緣性和機械性能，且價格較為低廉，目前在基板材料中應用最多。
隨著電子技術的快速進步和產品的不斷更新，玻纖增強技術遇到了嚴峻的挑戰，例如：加工制作過程激光微孔品質不好、耐受陽極性纖維漏電性能差。近年來，很多電子產品的工作主頻率達到GHz以上，由于增強玻纖束間存在間隙，介質均一性差，導致信號在傳輸過程中發生扭曲變形。針對這些問題，催生了電子玻纖布的開纖技術（開纖玻纖布形貌如圖2所示）。開纖技術主要是指在生產過程中，對電子玻纖布進行扁平化處理，提高其表面積。玻纖經過開纖或扁平化處理后，使原來常規的E-玻纖布的經紗和緯紗的玻璃纖維束散開并更均勻地分散，由此得到的玻纖布即為開纖E-玻纖布和扁平E-玻纖布（如圖3所示）。經過開纖或扁平化處理后，玻纖的表面積增大，其與樹脂的接觸面積增大，有助于提升玻纖與樹脂的浸透速度，增強結合力。同時，玻纖布經過開纖或扁平化處理后，經、緯紗之間的空隙變窄、單股紗的寬度增加，且交接點更加平滑[5, 6]。相對于開纖E-玻纖布來說，扁平E-玻纖布經緯紗之間的間隙更小，玻纖更加平整，因此扁平E-玻纖布具有更均勻的玻璃纖維分布。
NE-玻纖布是日本日東紡織株式會社（Nitto Boseki Co., Ltd）為印制電路板研發的低介電常數和低介質損耗角正切的玻璃纖維，與E-玻纖布相比，NE-玻纖布具有更低的介電常數和介質損耗（如表1所示）、更低的熱膨脹系數、優異的尺寸穩定性和較高的硬度，其介電常數可達到4.4（1MHz條件下）。同時，與E-玻纖布相比，NE-玻纖布也具有更加均勻的玻璃纖維分布。因此，NE-玻纖布常用于制作高性能信號傳輸產品。表1 E-glass與NE-glass性能參數[3]
1.2 玻纖效應
PCB的介質層由嵌在環氧樹脂中的玻纖布交織混合組成的，其結構如圖4所示，由于玻纖布的相對介電常數與環氧樹脂存在較大差異（一般環氧樹脂的介電常數在3左右，玻纖布的介電常數在6左右），因此該介質層的介電常數取決于玻璃纖維與樹脂的介電常數及其在介質層中所占的體積比，其計算公式如式1所示。
εr=εresinVresin+εglassVglass=εresinVresin+εglass*(1-Vresin) （式1）
其中，εresin和εglass分別為環氧樹脂和玻璃纖維的介電常數，Vresin和Vglass分別為環氧樹脂和玻璃纖維的體積比。
對于PCB介質層來說，其介電常數差異主要取決于使用的玻纖布類別。在信號傳輸以低頻為主的時代，人們一直認為PCB介質層是均勻的，玻纖布對PCB電氣性能的影響極小。但當PCB傳輸的信號頻率高達數GHz時，介質層局部特性的擾動使均勻電介質假設不再可行。表2指出了常見玻纖布經緯紗線的寬度及其間隙大小，以3313玻纖為例，其經緯向玻纖束之間的間距是3.1×5.3mil。從表2數據不難看出玻纖束的尺寸要比線路板上傳輸線寬度要大（目前多數傳輸線寬度在10mil以下），由于目前多數布線策略是將系統總線中的傳輸線與基板邊緣成0o或者90o角方向布線，這樣會導致傳輸線方向與玻纖束的經緯向相平行，此時可能會出現以下幾種極限情況（如圖5所示）：①傳輸線在經向玻纖束正上方；②傳輸線在緯向玻纖束正上方；③傳輸線在兩根經向玻纖束中間；④傳輸線在兩根緯向玻纖束中間。表2 常見玻纖布參數
注：50ohm阻抗為單端微帶線，且微帶線下方只有單張PP。
由于玻纖束的介電常數與環氧樹脂相差較大，因此板面不同位置處介質層的介電常數存在一定的差異（如圖6和圖7所示），從而會導致板面不同位置阻抗產生差異，增加阻抗精度控制的不確定性[4]。同時，同一阻抗線，由于不同位置介電常數不均勻，使TDR曲線出現較大波動，影響信號傳輸質量。
由于玻璃纖維束之間存在明顯的間隙，在PCB設計、制作時，信號線的介電常數具有不確定性。對于差分信號線來說，可能存在的一種情況是：差分信號線線路（D+）布在玻璃纖維束上，而線路（D-）布在玻璃纖維束的間隙上（如圖8所示），這樣會導致線路（D+）相比于線路（D-）來說有著較高的有效介電常數和較低的阻抗（Z0）[2,7]。因此，當同一對差分信號傳輸在不同介質上（玻纖束的Er約為6，樹脂材料的Er約為3），兩根差分信號線的介電常數不一致，由于信號傳輸速度與介質層介電常數的平方根成反比，會使兩根差分信號線產生不同的信號延遲，導致差分信號偏斜失真（如圖9所示）。有資料表明，玻纖效應導致的差分偏斜失真可達3ps/inch~10ps/inch。另外，高速率數據傳輸時，偏斜失真（Skew）會導致共模式電壓增加和相應的差分信號降低，且產生的交流共模（ACCM）效應成為系統里串擾（Crosstalk）和EMI的來源。
02/試驗方法
2.1 主要材料與儀器
材料：各種規格芯板及半固化片（106、1035、1080、2116和3313）。
儀器：矢量網絡分析儀（VNA）、金相顯微鏡。
2.2 試驗方法
（1）玻纖效應對阻抗波動的影響及其改善
通過切片測試不同規格PP（1035、1078、1080、2116、3313）經、緯向玻纖束的玻纖寬度、間距，從而為實驗圖形設計提供依據。試驗時設計多組單端微帶線，微帶線間距設計為玻纖束寬度基礎上加0.4mil，從而獲得跨在玻纖束不同位置的單端阻抗線（如圖10所示），然后測試單端微帶線的阻抗，計算不同位置介電常數，并比較其差異。
試板流程設計：開料→內層干膜→內層蝕刻→AOI→棕化→層壓→鉆孔→去毛刺→沉銅→板鍍→負片電鍍→負片干膜→負片蝕刻→AOI→阻焊→沉金→銑板→……
（2）玻纖效應對差分Skew的影響及其改善
玻纖布經過開纖處理后，表面相對平整，經、緯紗之間的空隙更小，使PCB中玻纖與樹脂相對均勻，當傳輸線處于玻纖束不同位置時，其阻抗和損耗應差異較小。試驗設計多組差分微帶線，采用不同規格的玻纖布（E-Glass、扁平開纖布及NE-Glass），確定玻纖布規格對差分Skew值的影響，并通過圖形旋轉、采用扁平玻纖布、NE-Glass玻纖改善差分Skew的效果。
試板流程設計：開料→內層干膜→內層蝕刻→AOI→棕化→層壓→鉆孔→去毛刺→沉銅→板鍍→負片電鍍→負片干膜→負片蝕刻→AOI→阻焊→沉金→銑板→……
03/結果與討論
3.1 不同規格PP的玻纖效應對阻抗波動的影響
由于玻璃纖維束之間有著明顯的間隙，信號線所處介質層的有效介電常數是存在一定的波動的（如圖11所示）。為了獲得不同規格PP的有效介電常數的可變性及其對阻抗的影響，本文通過采用不同規格PP，研究當傳輸線跨在玻纖束上和置于玻纖束間隙上時，介質層的有效介電常數及傳輸線阻抗差異。
圖12是采用某廠家1080、3313和2116 PP（高Tg板材）平行于玻纖布經緯向布線時介質層的介電常數波動曲線，由圖可以看出，1080、3313和2116三種規格的PP布線時有效介電常數均出現周期性波動，其波動幅度高達0.6，測試表明由此帶來的阻抗波動可高達4ohm，且不同規格玻纖有效介電常數波動幅度存在一定的差異。同時，相同規格的玻纖布，其緯向走線阻抗波動幅度要小于經向走線。
3.2 扁平玻纖布及NE-glass材料對阻抗波動的改善
由于玻纖布之間間隙的存在以及經緯向玻纖之間的疊合，會導致板面不同位置處阻抗產生差異，增加阻抗精度控制的不確定性。同時，同一條阻抗線，由于不同位置處介質層的有效介電常數是不一致的，因此TDR曲線會出現波動，從而影響高速信號的傳輸質量。為了減弱玻纖效應帶來傳輸線阻抗波動，提高信號傳輸質量，目前常用的方法是采用扁平E-玻纖布或性能更好的NE-玻纖布。
圖13是1080和1078半固化片經緯向走線的介電常數波動曲線，由圖可以看出，與1080玻纖相比，采用1078扁平玻纖布片后，介質層的介電常數波動顯著降低，其經向走線Dk波動幅度由0.58降低為0.25（見表3）。從1080和1078半固化片走線阻抗波動曲線也可以看出（如圖14所示），采用1078半固化片后，傳輸線的阻抗波動明顯減弱，經緯向走線由于玻纖效應帶來的阻抗波動可低至1.5ohm。
圖15分別為采用2116型半固化片（E-玻纖布和NE-玻纖布）在經向走線時阻抗波動情況，由圖可以看出，E-玻纖布經向走線阻抗波動幅度為3.17ohm，而采用NE-玻纖布經向走線阻抗波動幅度為1.42ohm。與E-玻纖布相比，NE-玻纖布具有更低的Dk值，且玻纖布經過開纖處理，玻纖之間的間隙減小，因此采用NE-玻纖布也能有效地降低阻抗波動幅度。
3.3 玻纖效應對差分Skew的影響
由于信號傳輸速度與介質層介電常數的平方根成反比，同一對差分信號傳輸在不均勻介質上時，兩根差分信號線間會產生不同的信號延遲，從而導致信號偏斜失真（Skew）。對于差分傳輸線來說，微帶線和帶狀線的傳輸延遲可分別通過式2和式3進行計算，因而差分線的偏斜失真（Skew）可通過式4計算而得。
微帶線：
（式2）
帶狀線：
（式3）
式中，tpd表示傳輸延時，單位為ps/inch；εr表示板材介電常數。
（式4）
由于介質層中經緯向玻纖之間存在重疊和空隙區域（如圖16所示），導致差分傳輸線的延遲不一致。圖17是采用VNA測量1035型半固化片經緯向走線時差分相位差曲線，由圖可以看出，當傳輸線平行與經緯向玻纖布線時，會產生一定的信號延遲，對于1035玻纖來說，測量出的緯向Skew值可達0.46ps/inch，經向Skew值可達0.43ps/inch。
3.4 差分Skew的改善
對于高速信號傳輸來說，由于差分線具有抗干擾能力強、有效抑制電磁干擾（EMI）、時序定位準確等于優點，其應用日趨增多。因此，我們需要減輕玻纖效應對差分Skew的影響，從而減弱玻纖效應對信號完整性（Signal Integrity, SI）的影響。
在布線設計時，當差分傳輸線的線寬與間距之和接近或等于玻纖pitch大小時，理論上Skew值為0，因此可通過調整線寬/間距值改善Skew問題，但實際上這種做法是較難實現的，工程師需要了解各種玻纖的pitch大小（不同廠家是不一致的），且往往不能同時滿足差分設計的要求。為了減輕玻纖效應對信號傳輸的影響，可以從以下三個方面進行改善：（1）采用玻纖排布更加密集、間隙更小的玻纖布（如扁平E-玻纖布）；（2）采用介電常數與樹脂更加接近的玻纖布（NE-玻纖布）；（3）設計時進行特殊布置與布線，使傳輸線不平行于經緯向。
（1）采用扁平玻纖布和NE-玻纖布
與常規玻纖布相比，扁平玻纖布的玻纖束更加分散，玻纖束之間的間隙更小，介質均勻性更好，其介電常數差異要比常規玻纖布更小，因此當采用扁平玻纖布時，玻纖效應帶來的差分Skew要更小。圖18分別為使用扁平1078玻纖和常規1080玻纖的相位差曲線，由圖可以看出，相比于1080玻纖，使用1078玻纖時兩根差分線的相位差顯著降低。通過測試相位差結果，計算出1078 PP時的Skew為0.65 ps/inch，而1080 PP的Skew值為1.91 ps/inch。
此外，當使用介電常數與樹脂更加接近的NE-玻纖布時，亦能降低玻纖效應對差分信號的影響。圖19是采用常規2116玻纖布和低介電常數2116玻纖布的差分線相位差結果，由圖可以看出，相比于常規2116玻纖布，NE-玻纖布的相位差大大降低。測試結果表明，同樣為2116規格PP，采用NE-玻纖布時，差分Skew值為0.34 ps/inch，采用E-玻纖布時，Skew值為1.21 ps/inch。
（2）圖形旋轉
為了減輕玻纖效應的影響，還可以調整布線的方向，使之不與板邊緣相平行，或者進行輻射狀的走線，從而避免線路平行于經緯向玻纖。通過不斷調整傳輸線相對玻纖束的位置，將傳輸線走線方向與纖維交織成一定角度（如圖20所示），可以使玻纖交織效應達到平均，理論上來說，將走線與板邊呈45o走線可使影響降到最小。但考慮到板材利用率問題，須盡量減小旋轉角度，有研究表明，將傳輸線走線方向旋轉1-2o即可有效地減輕問題，而小到5-10o的旋轉就足以緩解大部分的空間效應[2]。在進行布線設計時，旋轉角度可采用式6進行計算，傳輸線長度為1 inch時，需要旋轉的角度為2.3o，即傳輸線與玻纖成2.3o以上角度時即可解決差分線Skew問題。
（式5）
（其中，θ—旋轉角度；L—差分線長度；H—玻纖pitch大小，要求H≥2×pitch）
圖21為采用常規2116玻纖布平行走線和將圖形旋轉時差分相位差曲線，從結果來看，將圖形旋轉5-15o后玻纖效應引起的差分Skew大大降低?？紤]到拼板利用率問題，在實際應用過程中，將圖形選擇5o即可解決大部分玻纖效應引起的差分Skew問題。
除了在設計時進行圖形旋轉外，還可以在制造過程中讓覆銅板及PP供應商提供旋轉的原始材料，或者PCB制造商在開料時旋轉板材（會開料利用率降低），同樣可以有效地解決差分Skew問題。
（3）S型走線
除了上述方法外，在布線設計時還可以進行特殊布置，使傳輸線不平行于玻纖布經緯向，如采用S型走線或Z字型走線（如圖22所示）。圖23是采用不同走線方式（平行走線、S型走線）和旋轉圖形時差分線相位差結果，由圖可知：相對平行走線，S型（弧度為45o）走線可在一定程度上改善差分Skew，但相比圖形旋轉，S型走線改善效果相對較差。
4結論
PCB基材中所用的玻纖布帶來的玻纖效應會導致板面不同位置處阻抗線及同一阻抗線阻抗波動大的問題，且介質不均會造成線路信號傳輸速度不一致，從而導致差分Skew產生。
（1）阻抗波動：采用不同規格PP時阻抗波動幅度存在差異，通過采用扁平玻纖布或NE-glass玻纖布對改善阻抗波動效果明顯，且NE-glass效果更佳。
（2）差分Skew：差分Skew受PP規格、線寬/間距影響，線寬/間距之和越接近玻纖布Pitch尺寸，Skew越小；采用扁平玻纖布、NE-Glass玻纖布及S型走線設計可減小差分Skew，但不能從根本上解決差分Skew問題，圖形旋轉是最直接有效的方法。
（3）采用扁平玻纖布改善阻抗波動效益最高，如只要求解決差分Skew問題，可通過圖形旋轉；如需同時控制阻抗波動與差分Skew，可通過采用扁平玻纖布加圖形旋轉方法實現。
總結
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