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三板斧搞定玻纤效应

一博科技
助工
2019-12-17 17:11:45     打赏
一博科技自媒体高速先生原创文 | 姜杰

所谓玻纤效应，是指构成PCB介质层的增强材料——玻璃纤维束网状结构之间的间隙引起介质层的相对介电常数局部变化的现象。玻纤效应的发现史反映了信号速率的不断提升。


PCB的介质层一般由玻纤布和树脂组成，玻纤布的玻璃纤维束空隙填充树脂，由于玻纤布和树脂的介电常数相差较大（玻纤布一般在6左右，树脂是2.5），在靠近玻纤的走线上信号感受到的介电常数较大，而在玻纤束之间窗口区域走线的信号感受到的介电常数较小，从而导致了玻纤效应。


早期的低速信号是一帮皮糙肉厚的24K纯爷们儿，对走线的唯一要求就是连通，至于介质层用什么样的玻纤布完全不在意，这些神经大条的信号对于各种型号的玻纤布照单全收，间隙再大都能安之若素，就像三伏天里躺在冰凉顺滑的竹席上。


随着信号速率的提高，糙老爷们儿进化成了精致的猪猪男孩，对介质均匀性的要求也越来越高，于是对玻纤效应的影响越发难以忍受，顺滑的凉席变成了犬牙交错的藤条，令人如坐针毡。



玻纤效应对高速信号的影响主要表现在两个方面，一方面会引起走线阻抗的周期性波动；另一方面，会导致差分走线P和N之间的Skew,也就是说经过精心处理的P和N走线即便达到等长，可能仍然会因为玻纤效应而无法避免时延的偏差，哀莫大于“等长不等时”。


玻纤效应不容忽视，怎么破？套用孙燕姿《神奇》的歌词：“板材换换换，走线转转转，结果好神奇”，总结起来有“三板斧”，一是板材优化，二是设计优化，三是制板优化。

第一板斧，板材优化。可以从三个方面考虑：首先，可以选择扁平开纤布，随着玻纤效应的日益凸显，扁平开纤布应运而生，它的特点有两个：一是“开纤”，二是“扁平”，翻译成人话就是要把玻纤砸散、锤扁，使玻纤的表面积增大，增加与树脂的接触面积，同时提高平整度，最终的目的就是减小玻纤布的经纱束与纬纱束之间的窗口。


其次，叠层设计阶段可以考虑在介质层叠两张PP，从统计学的角度分析，这样也可以覆盖大部分的窗口，减小玻纤效应的影响。最后，我们还可以选用高等级的材料，因为板材的等级越高，Dk值越小（主要是因为玻纤布的Dk做得小），玻纤布与树脂的Dk越接近，窗口处的Dk波动随之减弱。这三种不同的方法有个共同的缺点，就是都会增加选材成本。

第二板斧，设计优化。在PCB设计阶段，按照一定的角度走线或者考虑Intel推荐的Zig-zag走线。由于玻纤布的经纱和纬纱是按横经竖纬的方向垂直交织的，因此这两个方向的走线受玻纤效应的影响最大，如果走线能相对于玻纤束偏移一定的角度，就可以减小玻纤效应的影响，方法有两个：一是按一定的角度走线，再者就是旋转器件。缺点是会增加布局、布线的空间要求，同时也有可能增加走线的损耗，需要权衡取舍。


实在不行，还有第三板斧，制板优化。就是在制板阶段将板料旋转一定的角度，这个方法的效果其实与特殊角度走线是一样的，目的都是为了让走线避开经纱、纬纱的方向。旋转板料的缺点是会降低板材利用率，而且和特定角度走线的设计同时使用时，切记要避免旋转之后角度抵消的悲剧发生。


总之，按照高速先生一贯的观点，高速信号的优化是需要成本的，要么板材的成本，要么设计的成本，要么加工的成本。但是，一提成本，大家都有压力，既然谈钱伤感情，那就要根据实际情况“只选对的，不选贵的”。


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关键词： 玻纤     走线     PCB设计    

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