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淺談PCB設計中玻纖效應的三板斧

PCB線路板打樣 ? 來源:一博科技 ? 作者:姜杰 ? 2021-03-23 12:21 ? 次閱讀
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所謂玻纖效應,是指構成PCB介質(zhì)層的增強材料——玻璃纖維束網(wǎng)狀結構之間的間隙引起介質(zhì)層的相對介電常數(shù)局部變化的現(xiàn)象。玻纖效應的發(fā)現(xiàn)史反映了信號速率的不斷提升。

PCB的介質(zhì)層一般由玻纖布和樹脂組成,玻纖布的玻璃纖維束空隙填充樹脂,由于玻纖布和樹脂的介電常數(shù)相差較大(玻纖布一般在6左右,樹脂是2.5),在靠近玻纖的走線上信號感受到的介電常數(shù)較大,而在玻纖束之間窗口區(qū)域走線的信號感受到的介電常數(shù)較小,從而導致了玻纖效應。

早期的低速信號是一幫皮糙肉厚的24K純爺們兒,對走線的唯一要求就是連通,至于介質(zhì)層用什么樣的玻纖布完全不在意,這些神經(jīng)大條的信號對于各種型號的玻纖布照單全收,間隙再大都能安之若素,就像三伏天里躺在冰涼順滑的竹席上。

隨著信號速率的提高,糙老爺們兒進化成了精致的豬豬男孩,對介質(zhì)均勻性的要求也越來越高,于是對玻纖效應的影響越發(fā)難以忍受,順滑的涼席變成了犬牙交錯的藤條,令人如坐針氈。

玻纖效應對高速信號的影響主要表現(xiàn)在兩個方面,一方面會引起走線阻抗的周期性波動;另一方面,會導致差分走線P和N之間的Skew,也就是說經(jīng)過精心處理的P和N走線即便達到等長,可能仍然會因為玻纖效應而無法避免時延的偏差,哀莫大于“等長不等時”。

玻纖效應不容忽視,怎么破?套用孫燕姿《神奇》的歌詞:“板材換換換,走線轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),結果好神奇”,總結起來有“三板斧”,一是板材優(yōu)化,二是設計優(yōu)化,三是制板優(yōu)化。

第一板斧,板材優(yōu)化。可以從三個方面考慮:首先,可以選擇扁平開纖布,隨著玻纖效應的日益凸顯,扁平開纖布應運而生,它的特點有兩個:一是“開纖”,二是“扁平”,翻譯成人話就是要把玻纖砸散、錘扁,使玻纖的表面積增大,增加與樹脂的接觸面積,同時提高平整度,最終的目的就是減小玻纖布的經(jīng)紗束與緯紗束之間的窗口。

其次,疊層設計階段可以考慮在介質(zhì)層疊兩張PP,從統(tǒng)計學的角度分析,這樣也可以覆蓋大部分的窗口,減小玻纖效應的影響。最后,我們還可以選用高等級的材料,因為板材的等級越高,Dk值越小(主要是因為玻纖布的Dk做得?。?,玻纖布與樹脂的Dk越接近,窗口處的Dk波動隨之減弱。這三種不同的方法有個共同的缺點,就是都會增加選材成本。

第二板斧,設計優(yōu)化。在PCB設計階段,按照一定的角度走線或者考慮Intel推薦的Zig-zag走線。由于玻纖布的經(jīng)紗和緯紗是按橫經(jīng)豎緯的方向垂直交織的,因此這兩個方向的走線受玻纖效應的影響最大,如果走線能相對于玻纖束偏移一定的角度,就可以減小玻纖效應的影響,方法有兩個:一是按一定的角度走線,再者就是旋轉(zhuǎn)器件。缺點是會增加布局、布線的空間要求,同時也有可能增加走線的損耗,需要權衡取舍。

實在不行,還有第三板斧,制板優(yōu)化。就是在制板階段將板料旋轉(zhuǎn)一定的角度,這個方法的效果其實與特殊角度走線是一樣的,目的都是為了讓走線避開經(jīng)紗、緯紗的方向。旋轉(zhuǎn)板料的缺點是會降低板材利用率,而且和特定角度走線的設計同時使用時,切記要避免旋轉(zhuǎn)之后角度抵消的悲劇發(fā)生。

編輯:hfy

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