简述玻纤效应的影响、仿真以及解决方法

admin

编者注：今天同事和我交流PCB玻璃纤维效应（玻纤效应）仿真的问题，感觉很久没人来问这个玻纤效应仿真的问题了，只是通过测试来分析玻纤效应的影响。其实玻纤效应的影响确实是存在的，但是想通过仿真做到一些定量的分析是很难做得到的，毕竟在使用玻纤布的时候并不是很明确它们是什么样的状态（虽然有一定的规则，但是还是无法预测，无法预测就无法建模），所以这就导致了建模仿真与实际的情况不一致。本文的内容部分于多年前编写，增减了部分内容。仅供参考。

什么是玻璃纤维布？由什么制成的?在讲解PCB材料的时候，经常会遇到这样的问题。接下来就让我们来了解这几个问题。
8 k& @& q# O& e/ W0 o

玻璃纤维生产厂商将玻璃熔融拉丝制成玻璃纤维原丝，然后经过加捻和并线制成玻璃纤维纱线。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。

玻璃纤维作为PCB材料的原料之一。它的作用就好比房子是水泥跟钢筋构造的一样，玻璃纤维布对树脂起着钢筋的作用。
0 f' v$ l2 e, |7 R& e7 C5 m

) M7 h. c2 g; w4 b# j$ s

玻璃纤维有着很多的特点，如下：

1、用于低温-196℃，高温300℃之间，具有耐气候性。

1 l! V( `, p% L! m8 `2、非粘着性，不易粘附任何物质。
% d( v3 f3 x% h/ O3、耐化学腐蚀，能耐强酸、强碱、王水及各种有机溶剂的腐蚀。
4、摩擦系数低，是无油自润滑的最佳选择。
3 J8 k% H. i/ @* `& T! u1 e5、透光率达6～13 %。
2 U" v! N# z/ p( w( ]$ E6、具有高绝缘性能、防紫外线、防静电。
7、强度高。具有良好的机械特性。
8、耐药剂性
这所有的特点在PCB材料上面体现的淋漓尽致，比如高温，比如ESD和绝缘性，比如耐腐蚀等等，所以现在PCB材料的发展也是伴随着玻纤布的发展而进步。


常见的玻纤布类型有106、1080、2116、3313和7628这五种，但是并不是只有这五种，还有一些开纤布等等，如下是PCB常用的玻纤布类型放大图：

0 j2 ~, @9 R  q1 u" l$ O
3 `; L, H' i, {6 d, L) V对于信号速率越来越高的情况，玻纤布的编织方式对信号完整性影响也非常的大，尤其是对于差分对信号线，其

问题的根本原因在于玻纤效应会引起对内偏斜（Skew）

。

1 {) ]4 j: i3 Z# B6 j

- P5 n' b1 l( L( A

两部分具有不同的有效非传导性常数，这是由于玻璃纤维交织的介电常数Er (约为6)和环氧材料的介电常数Er (约为3)的不同引起的。

% Q; A5 r% Q( R) N, q1 ?' n

  s# s' a+ L. r2 J, o- f  O, D! r" o+ _

如果差分对不对称或者等长（等时），这就会导致共模噪声的增加（EMI）以及差分幅值的变化（SI）。如下图所示：

这些现象可以通过ADS仿真很方便的观察得到，前段时间在一个研讨会上也有介绍到了玻纤效应现象仿真的建模以及分析，下面分别仿真了不同的两种情况，当有有玻纤效应的影响时，共模噪声比较明显，如下图中的中间图片在时域时的两个“尖峰”，后面是频域曲线：
4 f( g' l. a+ X* e4 M) ^3 y4 z: e8 A

- _  b$ i) h" q! S4 r0 ^

; F0 T9 O: _; U& S* t- X

当没有玻纤效应的影响时，其时域上的“尖峰”没有了，频域上共模噪声能量也降到了-200dB甚至更低。

% M- N* O. s% M7 F1 z- P

% ^7 R& i" V+ G. {. t

解决玻纤效应的问题，目前最主要的做法有三种，分别是在设计的时候小角度变换（Intel推荐使用10°角）、在生产的时候把PCB材料旋转一个小角度（一般小于5°）和使用更加紧密以及扁平化的玻璃纤维布（开纤布）。

* A2 c# `5 [* U& |8 E* ~0 R

" a) a9 C7 j/ P4 g, b0 c4 ~

2 s8 j$ L1 B" \0 G) }7 L

, k) S2 i. N2 g1 l. e1 ~, n

; c( s  a( M/ ?0 j% {

4 V9 [$ f6 |4 @: B6 b
7 w3 s" G: F+ U4 S
这三种方式可以单端使用，也可以同时使用。它们各自都有优缺点，比如旋转材料，会导致材料的利用率不高，使用开纤布使材料成本增加，小角度布线会导致布线时间增加、布线空间多（有的工程师说现在有所改善啦）。


早些年研究玻纤效应的公司以及工程师都很多，但是这两年看到的比较少了，因为对于很多系统工程师或者应用材料类的工程师而言，大多数的时候都对此“无能为力”，还是寄希望于前面提到的三种方式来减小玻纤效应对信号的影响。

; a5 H" ]; i; z' v

$ L( v3 k6 w7 V

1 [3 A+ u  q& y& X, `, @: @

蒋修国