高速PCB设计—选材原则

樱桃海弥

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前言

       随着通讯行业龙头对100G服务基站的开发建设与推广，数字电路的运行速度将达到100Gbit/s，未来对高速背板的信号传输能力要求越来越高，相应市场需求逐年增加。受到材料性能的限制，当前100Gbit/s的信号传输需要分为10条10Gbit/s通道或更高传输速度的4条25Gbit/s通道。由于信号在传输线路衰减、以及0TN和FEC消耗，如图1所示，一个信号链路通道示意图，包括TX发射源、Channel载体通道、RX接收器。为保证信号完整性对链路通道三组分进行的规范要求。
' N9 `/ P) M) l+ d. L       本节主要从高速PCB信号传输对板材的选择要求，以及高速通道设计与生产管控等方面进行展开。

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实验仪器与材料

仪器：光学轮廓仪（Optical Profiler—Contour GT-K1）、万能材料测试仪（Material TestingMachine）、微电阻仪（Ohm Meter）、安捷伦网络分析仪（Agilent Network Analyzer-E5071C）。

材料：VLP、RTF、STD铜箔；高速材料A（聚苯醛复合树脂体系）、常规材料C(FR4)、PI板材。

实验过程

        实验一、分别使用材料A（Dk=3.2）和C（Dk=4）设计阻抗为50ohm的单端传输线，线长都为60mm，通过网分测量等长线的延时差异。

        实验二、使用材料A分配配备0.5OZ的VLP、RTF、STD铜箔压合成4层线路板，通过TRL测量方法对比相同线宽、结构下的微带线和带状线的损耗差异。

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结果与讨论

选料原则

数字信号在传输中的速度，指单位时间传输数字信号码（bit）的数量多少，又称单位时间内信号交换量。其中信号交换的快慢取决于发射源发射信号的频率，信号传输的速度受到传输媒介的介电常数影响。因此，通常所描述的高频高速板体现在两个方面，需要对高频与高速两个概念区分开来，高频指信号码元变换频率快、周期短，高速指信号在链路通道的传输速度快。而二者又相互关联，一串高频信号在传输中，信号与信号时间差（周期）非常短，受到传输速度和延时的影响，传输速度低而发生频率高易出现分辨率不足造成EMI现象。图2是常规板材C与高速板材A的根据麦克斯韦电磁波传输关系，如公式（1）可知，材料介电常数越小高速信号传输速度越快。因此，高速PCB需选择介电常数小的板材。

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其中，v为传输速度，m/s；c为光速，3*108m/s；εr为传输介质介电常数。

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数字信号一般使用NRZ码，一个周期包含两个bit码元。为实现25Gbit/s高速信号传输，发射源的频率将达到12.5GHz。为满足链路通道的信号完整性，需要控制信号的衰减、反射、辐射等等。其中信号的衰减主要受传输损耗决定的，频率与介质损耗存在如公式（2）所示关系，在一定条件下，频率越高损耗越大。一般常规材料不能满足高频板的要求，要求使用低损耗或低逸散因子的板材，减弱信号衰减幅度。从公式（2）中还可以看出，介电常数越小其介质损耗越小。因此，高频高速材料需要选择低介电常数、低逸散因子的材料。

带状线的介质损耗有以下公式：

其中，f为信号传输频率，εr为介电常数，tanδ为介质损耗因子（损耗正切角）。

根据经典损耗理论，由于趋肤效应的存在，需要考虑铜箔表面粗糙度对导损的影响。总损耗计算公式修正如下：

Hammerstad方程是解释传输线表面的粗糙度对损耗影响的经典模型，将光滑导体的信号损耗乘以系数，这个系数称之为Hammerstad系数，公式如下所示：

其中，Ksr为趋肤系数，hRMS为表面粗糙高度的均方根，δ为趋肤深度，at为总损耗，ac为导损，ad为介损。

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如图4所示，在高频作用的影响，导体周围环绕磁线和向外发散的电场，作为信号载体的电子随电场富集在导体表面，呈现趋肤效应。大量电子富集在导体表面，其分布区域受导体表面粗糙度的影响，如公式（3）～（5），粗糙度越大Hammerstad系数越大，导体损耗越大。对比VLP、RTF、STD(hRMS值分别为0.664、0.887、1.745μm)在相同材料和设计下，总损耗随频率变化趋势如图3所示。同时，根据公式（5）和图5可知，频率越高趋肤深度越小，电子富集密度越大，损耗系数越大。因此，高频高速信号传输需要选择低粗糙度铜箔材料。

加工要求

高频高速板除对材料介电常数和损耗因子有明确要求外，还需要对材料的电性能、热性能、可靠性、可加工性有很高的要求。根据布线密度和传输频率带宽等要求，需选择合适的材料设计叠层。合理的设计可以减少生产加工难点、提高性能并保证产品可靠性性。选择合适的板材需要从以下几个方面进行衡量：

可制造性:板材本身的加工制作难度对产品品质影响非常大，诸如钻孔机械韧（粘）性、镭射钻孔稳定性、毛刺、粉尘采用常规高锰酸钾除胶或使用等离子除胶；多次压合性能与耐热情况；最小pitch与抗CAF能力；耐酸碱性；流胶能力；吸水率、热膨胀系数、塞孔可靠性和防火等级等。

电气稳定性:高频高速板对链路各点的阻抗一致性要求非常高，需要选择低且稳定的low Dk和low Df以及具有低色散的材料；对来料厚度与含胶量公差控制更严，同时对树脂+玻纤体系的Dk/Df分布均匀性有了更高的要求。因PP片是由网状的玻纤和树脂组成，形成玻纤重叠区域和纯树脂区域，布线分布位置区域的Dk/Df差异，造成差分对链路阻抗稳定性以及两个线之间的延时差异。因此，不仅要求材料介电常数分布均匀性，还要求材料介电性能有高的稳定性，如介电性能随环境和频率改变的变化系数小。

制作优化

为了避免玻纤效应造成Dk/Df不一致性，可以选择玻纤的Dk值与树脂的Dk值接近的物料组成的半固化片，如e-glass玻纤配改性环氧树脂；为避免玻纤网洞过大造成介电参数分布不均，可选择如图6所示的扁平小网洞玻纤。如图7所示，当差分线分布在介电常数存在差异时易出现Skew偏移失真。为避免布线与玻纤走向平行容易出现Skew现象，可采用图形旋转设计；对于超大背板，由于加工尺寸限制，也可使用开料旋转的方法制作。

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小结

根据对高速板材的选料要求，可以得出以下几点结论：

1、高速PCB需使用低介电常数和低损耗的板材；

2、对来料均匀性进行监控，保证符合IPC-Ⅱ级标准；

3、优先选择低轮廓铜箔和开纤布材料或进行图形旋转措施。

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学习了学习

dabao0115

CPU端的Vswing很小，使得CPU端的数据margin很小或者fail。每个channel接两根DR的UDIMM，DIMM端的drvier strengthen已经是最强（34ohm），有什么方法能使CPU端的Vswing变大，需要找DIMM厂家将DIMM的drvier strengthen再加更强的step吗？或者还有其他方法吗？CPU端的ODT已经调高

bashao

学习了  真的是好资料  讲的很清楚了然