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三板斧搞定玻纖效應(yīng)

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發(fā)表于 2019-12-17 17:57:50 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |正序?yàn)g覽 |閱讀模式
一博科技自媒體高速先生原創(chuàng)文 | 姜杰
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- j2 i* Q; U! p, a2 Q8 r所謂玻纖效應(yīng),是指構(gòu)成PCB介質(zhì)層的增強(qiáng)材料——玻璃纖維束網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的間隙引起介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)局部變化的現(xiàn)象。玻纖效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)史反映了信號(hào)速率的不斷提升。
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PCB的介質(zhì)層一般由玻纖布和樹脂組成,玻纖布的玻璃纖維束空隙填充樹脂,由于玻纖布和樹脂的介電常數(shù)相差較大(玻纖布一般在6左右,樹脂是2.5),在靠近玻纖的走線上信號(hào)感受到的介電常數(shù)較大,而在玻纖束之間窗口區(qū)域走線的信號(hào)感受到的介電常數(shù)較小,從而導(dǎo)致了玻纖效應(yīng)。
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早期的低速信號(hào)是一幫皮糙肉厚的24K純爺們兒,對(duì)走線的唯一要求就是連通,至于介質(zhì)層用什么樣的玻纖布完全不在意,這些神經(jīng)大條的信號(hào)對(duì)于各種型號(hào)的玻纖布照單全收,間隙再大都能安之若素,就像三伏天里躺在冰涼順滑的竹席上。- D3 p& {9 H, Z0 y  ^4 J

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# a# R8 X5 w) u4 d  o2 |隨著信號(hào)速率的提高,糙老爺們兒進(jìn)化成了精致的豬豬男孩,對(duì)介質(zhì)均勻性的要求也越來越高,于是對(duì)玻纖效應(yīng)的影響越發(fā)難以忍受,順滑的涼席變成了犬牙交錯(cuò)的藤條,令人如坐針氈。
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. J3 n' t4 ?1 {0 [" f玻纖效應(yīng)對(duì)高速信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一方面會(huì)引起走線阻抗的周期性波動(dòng);另一方面,會(huì)導(dǎo)致差分走線P和N之間的Skew,也就是說經(jīng)過精心處理的P和N走線即便達(dá)到等長(zhǎng),可能仍然會(huì)因?yàn)椴@w效應(yīng)而無(wú)法避免時(shí)延的偏差,哀莫大于“等長(zhǎng)不等時(shí)”。
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玻纖效應(yīng)不容忽視,怎么破?套用孫燕姿《神奇》的歌詞:“板材換換換,走線轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),結(jié)果好神奇”,總結(jié)起來有“三板斧”,一是板材優(yōu)化,二是設(shè)計(jì)優(yōu)化,三是制板優(yōu)化。
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& v' o/ [2 v6 w9 E4 z/ `" d4 X. q第一板斧,板材優(yōu)化。可以從三個(gè)方面考慮:首先,可以選擇扁平開纖布,隨著玻纖效應(yīng)的日益凸顯,扁平開纖布應(yīng)運(yùn)而生,它的特點(diǎn)有兩個(gè):一是“開纖”,二是“扁平”,翻譯成人話就是要把玻纖砸散、錘扁,使玻纖的表面積增大,增加與樹脂的接觸面積,同時(shí)提高平整度,最終的目的就是減小玻纖布的經(jīng)紗束與緯紗束之間的窗口。
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其次,疊層設(shè)計(jì)階段可以考慮在介質(zhì)層疊兩張PP,從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度分析,這樣也可以覆蓋大部分的窗口,減小玻纖效應(yīng)的影響。最后,我們還可以選用高等級(jí)的材料,因?yàn)榘宀牡牡燃?jí)越高,Dk值越。ㄖ饕且?yàn)椴@w布的Dk做得小),玻纖布與樹脂的Dk越接近,窗口處的Dk波動(dòng)隨之減弱。這三種不同的方法有個(gè)共同的缺點(diǎn),就是都會(huì)增加選材成本。
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) V: @. ^7 ~% J5 q! [+ w第二板斧,設(shè)計(jì)優(yōu)化。在PCB設(shè)計(jì)階段,按照一定的角度走線或者考慮Intel推薦的Zig-zag走線。由于玻纖布的經(jīng)紗和緯紗是按橫經(jīng)豎緯的方向垂直交織的,因此這兩個(gè)方向的走線受玻纖效應(yīng)的影響最大,如果走線能相對(duì)于玻纖束偏移一定的角度,就可以減小玻纖效應(yīng)的影響,方法有兩個(gè):一是按一定的角度走線,再者就是旋轉(zhuǎn)器件。缺點(diǎn)是會(huì)增加布局、布線的空間要求,同時(shí)也有可能增加走線的損耗,需要權(quán)衡取舍。+ ^8 q% }# Z! ]* X3 J" E+ [' Q

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實(shí)在不行,還有第三板斧,制板優(yōu)化。就是在制板階段將板料旋轉(zhuǎn)一定的角度,這個(gè)方法的效果其實(shí)與特殊角度走線是一樣的,目的都是為了讓走線避開經(jīng)紗、緯紗的方向。旋轉(zhuǎn)板料的缺點(diǎn)是會(huì)降低板材利用率,而且和特定角度走線的設(shè)計(jì)同時(shí)使用時(shí),切記要避免旋轉(zhuǎn)之后角度抵消的悲劇發(fā)生。% J- p3 ~& l. ?. t6 }- z6 n
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總之,按照高速先生一貫的觀點(diǎn),高速信號(hào)的優(yōu)化是需要成本的,要么板材的成本,要么設(shè)計(jì)的成本,要么加工的成本。但是,一提成本,大家都有壓力,既然談錢傷感情,那就要根據(jù)實(shí)際情況“只選對(duì)的,不選貴的”。$ ~+ a% M+ Y: V7 Y$ k
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