半岛体育官方网站高速线路中线宽与玻纤结构对信号损耗的影响

　　半岛体育官方网站半岛体育官方网站半岛体育官方网站PCB信号传输的高速化发展对PCB信号传输的高效与低损提出了更高的要求，尤其是100 Gbps骨干网络的发展，单通道通信速率达到（10~25）Gbps。传输速率的提高进一步加大了信号的损耗。文章主要研究高速产品设计时通过调整线宽设计、相同介厚时选用不同厚度PP来对比得到低损耗的设计方案，为高速信号在传输中降低损耗提供可行性建议。

　　高速PCB线路设计的目的是使得数据能够高效准确的传输，就必须要保证所设计电路的信号完整性（SI）。在高速线路中普通的传输线早已不是理想的传输导线。随着高速数字系统的工作频率越来越高，在信号的传输过程中，多种不利因素的影响得到放大，致使信号失真。因此，为得到较好的传输质量，一个常用的方法就是采用差分信号进行传输，即在阻抗匹配的端口处输出两个方向相反、幅度相等、边沿相同的信号，接收器接收到两个信号后，将两个信号相减，得到差分信号（即常说的差分信号线）。但是实际上就算采用差分线来设计高速信号线走线，高速信号在通过信号线时走线方式、两根走线上下的玻纤布缝隙导致的Dk、Df值跳动均会影响信号的质量。

　　想要设计出损耗更低又不至于对客户原有的设计进行大的变动，从PCB设计与制造的角度去改善损耗，方便在工程设计阶段就得到更低损耗的PCB设计方案。

　　根据电磁场和微波理论，PCB传输损耗主要由介质损耗、导体损耗和辐射损耗三部分组成。其中，介质损耗是指电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格不断碰撞而产生的热损耗；导体损耗是由于导体不理想，存在损耗电阻，在电流通过时发热而引起的损耗，其主要影响因素是导体的电阻、电流分布（趋肤效应）和导体的表面粗糙度；辐射损耗是微带线场结构的半开放性所导致的电磁波辐射损耗，一般而言，这部分损耗很小。因此对于高速PCB，信号传输损耗主要为介质损耗和导体损耗。其中，高速信号在传输过程中的介质损耗与材料的介电常数、损耗因子及传输频率等因素有关，近似计算公式可表示为如下式1：

　　其中：αd为信号的介质损耗，k为常数，f为传输频率，tanδ为介质损耗因子即Df值，εr为材料的相对介电常数即Dk值。

　　由以上公式可以看出，介质损耗除了和频率成正比之外，还与Df值大小成正比，与值大小成正比，所以理论上来说Dk与Df越低则损耗值越低。但是怎样降低材料的Dk与Df值，除了树脂成分与玻纤布等级的提升之外，从PCB自身叠构上也可以进行细微调整。

　　PCB的介质层主要由环氧树脂及玻纤布组成，常规玻纤布为E-glass，其相对介电常数与树脂自身Dk、Df存在较大差异，如下表1：

　　常规所说的介质的Dk值由玻璃纤维与树脂的介电常数及其在介质层中所占的体积比，其计算公式如式2所示。

　　其中，εresin和εglass分别为环氧树脂和玻璃纤维的介电常数，Vresin和Vglass分别为环氧树脂和玻璃纤维的体积比，因此不同的树脂搭配玻布所得的材料的Dk/Df 值差异很大，就算相同树脂采用不用比例去搭配时也会得到不同的Dk/Df值。

　　玻璃纤维束之间存在明显的间隙，间隙中主要为树脂，而玻纤及经纬玻纤叠加位置的节点上Dk/Df均会有差异，信号线经过的这些位置时介质层的介电常数不是固定值。对于差分信号线来说，由于Dk值变化和不一致就会导致两根信号的传输速度不一致，而导致偏斜失真（Skew）的问题，而Skew会导致共模式电压增加和相应的差分信号降低，且产生的交流共模（ACCM）效应成为系统里串扰（Crosstalk）和EMI的来源。常规玻纤布参数如下表2，玻纤布外观图如下图1。

　　试验通过相同介质厚度不同玻布结构（106×2张VS 3313×1张）来改变结构中的Dk/Df值、设计不同线 mil）来降低玻纤效应的影响，采用网络分析仪（VNA），用Delta L 方法测试差分带状线（Stripline）及微带线（Microstrip line）的损耗数据，得到PCB高速线路设计时损耗较优的设计方案。

　　试验材料选用三个等级不同类型树脂，玻布均为E-glass的材料进行对比，具体如下表3：

　　每一层信号线所示，走线 mil间距，线 mil设计，在损耗测试时依据阻抗测试值调整系统内的阻抗匹配值之后在进行损耗测试；

　　图2 信号/Single层 四组不同线）相同介质厚度采用不同PP结构时损耗差异的影响

　　叠构设计如上图2，在L4→L5基板+L5→L6 PP均采用106×2，L7→L8基板+L8→L9 PP均采用3313×1结构。含胶量搭配选出理论相同厚度的介质层来对比不同PP结构时损耗的实际差异，106PP与3313 PP当单张PP结构时信号线单张PP模拟走线

　　根据其他相关人员研究得出的结论：一般是线宽+间距之和越接近玻纤Pitch（按表2内此Pitch约为17 mil）的大小则越可改善Skew的影响，继而得到较低的损耗。但是目前高速信号线的设计水平线 mil，很难达到玻纤的Pitch值，那么在此范围内增加线宽对于损耗具体能够降低多少，插损测试情况见下表4所示，折线 三组材料不同线宽时内外层损耗测试结果

　　三组材料使用106玻布与3313玻布结构时，由上文表1 玻布与不同树脂Dk/Df表 可得到不管是环氧树脂还是PPE树脂根据式2 计算Dk可知106玻布与3313玻布相比RC 越高Dk值越低；Df方面由于环氧树脂 Df值0.025，玻布为0.0012，PPE树脂为0.0007，可知环氧树脂类材料RC越高Df值越高，PPE类树脂RC越高Df越低。根据板材商提供信息，三款材料对应两种结构时Dk/Df值及模拟xDf值如下表5：

　　表 6:三款材料相同厚度采用不同结构 (106x2 对比3313x1)的损耗结果

　　（3）Very low loss材料IT-968由于106×2结构与3313×1结构相比由于PPE类树脂的固有Df低的优势，所以106×2结构Dk/Df均要低于3313×1结构，模拟xDf值106×2结构明显低于3313×1，实际测试结构也显示此材料中106×2结构比3313×1要低的多。

　　从以上测试结果可以得出：106×2结构与3313×1结构实际损耗情况可通过模拟xDf值来大致推导。另外除了Dk/Df之外还有玻纤效应，理论上106具有更大的编制缝隙，玻纤效应会更明显。但是实际操作中，由于相同厚度需要2张106玻纤布，在操作过程中PP会有一定错位，可适当弥补此问题。因此相同介质厚度时，损耗结果的预判还是与模拟xDf值大小一致。

　　（1）不改变材料、叠构等前提下调大信号线线宽可明显降低信号线）相同材料、相同介质厚度时有多张数高RC薄玻布与少张数低RC厚玻布多种选择方案时可按照模拟xDf值的大小来做基本判定，模拟xDf值低的损耗值应是更低。

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