淺談PCB設(shè)計(jì)中玻纖效應(yīng)的三板斧

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。

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)。

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。

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。

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)而無法避免時(shí)延的偏差，哀莫大于“等長(zhǎng)不等時(shí)”。

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。

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。

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值越小（主要是因?yàn)椴＠w布的Dk做得?。＠w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。

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。

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。

編輯：hfy