介質(zhì)特性對(duì)高速信號(hào)的影響

上海交通大學(xué) 鄭元元

介質(zhì)特性對(duì)高速信號(hào)的影響

上海交通大學(xué) 鄭元元

電子產(chǎn)品朝著高密度、高速度的方向快速發(fā)展，隨著速度的提高信號(hào)的高頻損耗也越來越嚴(yán)重，造成高頻損耗的原因有很多：反射和串?dāng)_等信號(hào)完整性問題會(huì)引入損耗，不完美的材料特性也會(huì)引入損耗。本文重點(diǎn)討論P(yáng)CB材料對(duì)高速信號(hào)的影響，分析導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗的形成機(jī)理，研究銅箔粗糙度、介電常數(shù)、損耗因子等參數(shù)對(duì)信號(hào)完整性的影響。同時(shí)對(duì)玻纖效應(yīng)的形成原因和控制方法加以研究。

信號(hào)完整性；銅箔粗糙度；介電常數(shù)；損耗因子

PCB的材料包括作為信號(hào)載體的金屬和作為絕緣材料的介質(zhì)，設(shè)計(jì)制造中常用的金屬是銅，常用的介質(zhì)是FR4。材料特性對(duì)信號(hào)質(zhì)量有很大影響。

實(shí)際中的傳輸線并不是無損的，通常情況下傳輸線損耗主要包括電阻損耗、介質(zhì)損耗、反射串?dāng)_EMI引起的損耗。一般互連設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)反射和串?dāng)_問題進(jìn)行控制來減小損耗，所以接下來主要要討論電阻和介質(zhì)損耗的形成原因和解決辦法。

1 導(dǎo)體損耗的影響和控制

低頻時(shí)導(dǎo)體內(nèi)的電流是均勻分布的的。高頻時(shí)電流則會(huì)趨向分布于導(dǎo)體的“皮膚”表面，導(dǎo)體表面的電流密度大，內(nèi)部的電流密度小，這種現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。從導(dǎo)體表面看進(jìn)去，電流密度隨著深度的增加而減小，并且頻率越高衰減越快，定義電磁波衰減到表面場(chǎng)強(qiáng)1/e的深度為趨膚深度，計(jì)算公式為：

其中：μ為銅的磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率。趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)電流實(shí)際可傳輸截面積減小，損耗增大。

由于生產(chǎn)過程中需要增加銅箔和板材的結(jié)合力，會(huì)對(duì)銅箔表面進(jìn)行棕化處理以增加銅箔的粗糙度。 因此實(shí)際中PCB的銅箔表面并不絕對(duì)光滑，而是有很多毛刺和凸起。顧名思義，銅箔粗糙度就是指銅箔表面的粗糙程度，研究中用表面毛刺的峰谷的高度落差（又稱為銅牙）Rz來衡量，根據(jù)粗糙度的不同可將銅箔分為標(biāo)準(zhǔn)銅箔STD、反轉(zhuǎn)銅箔RTF和超低輪廓銅箔HVPL，其中STD粗糙度最大，RTF次之，HVPL最小。同時(shí)一塊銅箔可分為光面和毛面，兩面的粗糙度也不相同。下表1為這一組這三種類型銅箔粗糙度的測(cè)量值[1]，分別取1OZ和HOZ（半OZ）銅厚進(jìn)行研究。

表1 銅箔粗糙度

低速信號(hào)速率低損耗小，因此不用考慮表面粗糙度的影響，一般使用標(biāo)準(zhǔn)銅箔就可以滿足信號(hào)的需求。但是對(duì)于高速信號(hào)而言，由于高頻下信號(hào)會(huì)有明顯的趨膚效應(yīng)，并且隨著頻率加大趨膚深度減小，如果銅表面粗糙度很大，會(huì)進(jìn)一步加大信號(hào)的損耗。計(jì)算得信號(hào)頻率為1GHz時(shí)，趨膚深度為2.1μm，而一般STD類型的銅箔粗糙度就有5μm左右，粗糙度帶來的損耗不可忽視。因此對(duì)于GHz以上信號(hào)必須考慮表面粗糙度帶來的影響，結(jié)合成本、生產(chǎn)可靠性以及信號(hào)質(zhì)量，選擇適合的銅箔類型。

研究表層1OZ走線厚度和內(nèi)層HOZ走線厚度情況下，以上三種銅箔粗糙度分別對(duì)應(yīng)的損耗大小。在SIwave中分別建立兩段阻抗為100Ω的差分走線模型，分別分布于表層和內(nèi)層，其中表層線寬線距為4.4/4.5mil，內(nèi)層線寬線距為4/5.3mil。令長(zhǎng)度都為20mm，疊層結(jié)構(gòu)如下圖1所示。設(shè)置仿真頻率為5MHz-30GHz。

圖1 疊層結(jié)構(gòu)

仿真得不同粗糙度下信號(hào)插損波形如下圖2所示，其中：（1）圖為表層走線插損。（2）圖為內(nèi)層走線插損。對(duì)比可知HVLP粗糙度下信號(hào)線損耗最小，傳輸系數(shù)最高；RTF次之；STD最差。說明較低的粗糙度使高速信號(hào)的傳輸性能更好。

圖2 不同粗糙度下傳輸線的插損曲線

2 介質(zhì)損耗的影響和控制

介質(zhì)損耗的原因之一是介質(zhì)的極化現(xiàn)象。導(dǎo)體金屬內(nèi)有很多自由電子可在電場(chǎng)的作用下形成電流。而介質(zhì)由于其固有特性，帶電粒子被固定在分子內(nèi)不易移動(dòng)，在外加電場(chǎng)的作用下，分子內(nèi)的正負(fù)電子會(huì)沿著電場(chǎng)方向產(chǎn)生位移扭轉(zhuǎn)，使原本雜亂的分子規(guī)則排列，這一過程稱為“極化”。極化過程需要消耗能量，因此產(chǎn)生介質(zhì)損耗。且隨著頻率的提高，帶點(diǎn)粒子擺動(dòng)的頻率也上升，因此產(chǎn)生更大的介質(zhì)損耗。

此外介質(zhì)并非完全絕緣，仍有少量自由電子會(huì)在電場(chǎng)作用下形成漏電流，這也是介質(zhì)損耗的一部分。

介質(zhì)損耗可以用公式計(jì)算得出：

上式中：Er是介電常數(shù)，Df是損耗因子，f是信號(hào)頻率。

其中Er介電常數(shù)和Df損耗因子都是介質(zhì)材料的固有特性，Er反映的是介質(zhì)材料電容量的大小，Er越大則傳輸線單位面積的電容量越大，阻抗越小。Df則反映了介質(zhì)極化損耗的特性， Df越大同樣頻率下信號(hào)的介質(zhì)損耗越大。

介電常數(shù)和損耗因子都對(duì)信號(hào)質(zhì)量帶來影響，表格2是常見介質(zhì)的參數(shù)[2]。

表2 介電常數(shù)

分別選取Fr4、Fr408、Megtron6這三種介質(zhì)材料進(jìn)行研究。和上例一樣，設(shè)置線寬線距為表層4.4/4.5mil，內(nèi)層4/5.3mil，疊層如圖1所示，令線長(zhǎng)都為 10inch。在Hyperlynx中建立模型，分別帶入三種材料的參數(shù)，設(shè)置仿真頻率為5MHz—30MHz。仿真結(jié)果如圖3所示，分析可知不管是微帶線還是帶狀線，介質(zhì)的影響趨勢(shì)一樣的，F(xiàn)r4的損耗最大，F(xiàn)r408次之，Megtron6最小。介電常數(shù)低的材料更容易控制差分線的高阻抗，保持阻抗的連續(xù)性，所以Megtron6更適合作為GHz以上信號(hào)的介質(zhì)材料。

圖3 三種不同介質(zhì)條件下10英寸傳輸線的插損波形

高頻損耗的主要原因是介質(zhì)極化所消耗的能量太多，也就是說在介電常數(shù)和損耗因子兩者間，影響高頻損耗的主要因素是損耗因子。因此很多具有相同介電常數(shù)的材料，損耗因子的差別卻很大。選取Nelco 4000-13 EP和FR408這兩種材料進(jìn)行比較，兩者介電常數(shù)都為3.7，損耗因子分別為0.009（Nelco 4000-13 EP）和0.011（FR408），仿真得到插損波形如圖4所示。

圖4 不同損耗因子條件下10英寸傳輸線的插損波形

有上圖4可見，損耗因子導(dǎo)致的損耗差距在高頻段越來越明顯，所以高速信號(hào)設(shè)計(jì)最好選擇損耗因子小的板材。這種板材比較昂貴，有的甚至比普通板材高出好幾倍的價(jià)格，如表3所示為不同板材的成本比較[2]。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合成本和性能需求，選擇性價(jià)比最高的板材。

表3 不同板材的成本比較

3 玻纖效應(yīng)的影響和控制

介質(zhì)材料是由玻璃纖維編織成布并在縫隙中填滿環(huán)氧樹脂制成的，不同玻纖布編織的疏密程度不同，下圖5所示為106,1080,2116,7628玻纖布的顯微圖[2]。

圖5 不同材料的玻璃纖維編織

可以看出106、1080板材的玻纖明顯比2116、7628稀疏。雖然仿真設(shè)計(jì)時(shí)我們一貫將材料的介電常數(shù)和損耗因子看做一個(gè)固定值，但實(shí)際上玻璃纖維的介電常數(shù)要高于樹脂，樹脂的損耗因子又高于玻璃纖維。這一問題對(duì)單端信號(hào)不會(huì)造成什么影響，但對(duì)差分信號(hào)卻不同，因?yàn)椴罘中盘?hào)由兩根傳輸線組成，如果走線方向和玻璃纖維的方向平行，就有可能出現(xiàn)其中一條線下方為玻璃纖維，另一條線下方為環(huán)氧樹脂的情況，如圖6所示。

圖6 差分布線分布在玻纖布上的位置

當(dāng)兩條傳輸線下方的介質(zhì)分布不均勻時(shí)，兩條線上信號(hào)的傳播速度會(huì)有差別，引起差分對(duì)內(nèi)的相位偏斜，差分阻抗也會(huì)變化引起反射。這一現(xiàn)象就是常說的玻纖效應(yīng)。

玻纖效應(yīng)解決辦法有三種。

1)選擇高密度板材，通過圖5可以看出2116、7628類型的玻纖布纖維更密集，縫隙很小。采用這種材料能使信號(hào)下方的介質(zhì)更均勻，很好抑制玻纖效應(yīng)。

2)調(diào)整疊板方式，讓走線和玻纖不會(huì)成為平行線，避免出現(xiàn)圖6的現(xiàn)象。疊板時(shí)將玻纖布旋轉(zhuǎn)一定角度，使走線下方的玻纖和樹脂能交替分布，從而達(dá)到更均勻的狀態(tài)。這種方法的缺點(diǎn)是造價(jià)較高，會(huì)浪費(fèi)很大面積的板材。

3)調(diào)整走線方式，PCB上采用10度走線的方法布線如下圖7所示，此種方法和方法2的目的一樣，為讓走線和板材形成角度，使走線下方的介質(zhì)更均勻。而且此種方法不需要旋轉(zhuǎn)板材，可以節(jié)省成本。

圖7 10度布線在高速信號(hào)中的布線示意圖

4 總結(jié)

本文從信號(hào)的損耗著手分析，指出高速信號(hào)的損耗主要包括導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，分析兩種損耗的形成原因，并得出以下結(jié)論：趨膚效應(yīng)是導(dǎo)體損耗的主要原因，高頻趨膚深度和普通銅箔的粗糙度近似，因此高速設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選擇粗糙度小的銅箔；介質(zhì)損耗由材料本身物理特性決定，介電常數(shù)低的板材能更好實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的高阻抗控制；損耗因子是造成高頻損耗的主要原因，損耗因子低的板材高頻損耗低，價(jià)格也較貴，設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合需要選擇性價(jià)比高的板材。玻纖效應(yīng)容易導(dǎo)致差分信號(hào)的阻抗不均勻，以及兩條傳輸線的相位差。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使用玻纖密集的板材，布線或疊板時(shí)可以讓信號(hào)線和玻璃纖維形成夾角。

[1]http://www.doc88.com/p-4932346646008.html.

[2]https://www.altera.com/en_US/pdfs/literature/an/an613.pdf.

[3]房麗麗.ANSYS信號(hào)完整性分析與仿真實(shí)例[M].中國(guó)水利水電出版社,2013.

[4]Katharine Schmidtke,Frank Flens,Alex Worrall,Richard Pitwon,Felix Betschon,Tobias Lamprecht,Roger Kr¨ahenb¨uhl.960 Gb/s Optical Backplane Ecosystem Using Embedded Polymer Waveguides and Demonstration in a 12G SAS Storage Array[J].Journal of Lightwave Tech nology.2013,31(24):3970-3975.

[5]Piero Belforte.Digital Wave Simulation of Lossy Lines for Multi-Gigabit Applications[J].IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine.2016,5(2):48-55.

[6]何彭.基于HFSS的高速PCB信號(hào)完整性研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[7]李永耀.高速串行鏈路信號(hào)完整性研究[D].成都:電子科技大學(xué),2015.