如何減輕高速PCB設(shè)計(jì)中的玻纖編織效應(yīng)

1、前言

眾所周知，認(rèn)識(shí)和控制差分skew的來源對(duì)信號(hào)完整性至關(guān)重要，并可以有效降低產(chǎn)品發(fā)生終端失效的風(fēng)險(xiǎn)。

串行鏈路差分skew的容差隨著比特率的增加而減少。例如，1Gbps（500MHz）信號(hào)能夠允許大約250ps的skew容差，這是一個(gè)很寬的窗口，也是為什么20多年前大多數(shù)工程師不需要擔(dān)心玻纖編織效應(yīng)的原因。但隨著信號(hào)速率的增加，由玻纖編織效應(yīng)（GWS）引起的隨機(jī)出現(xiàn)的終端失效問題越來越普遍，玻纖編織效應(yīng)也引起更多設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

那我們?cè)谑裁辞闆r下需要開始考慮玻纖編織效應(yīng)呢？如果樣機(jī)的信號(hào)質(zhì)量符合預(yù)期，是否預(yù)示著批量生產(chǎn)也可以順利進(jìn)行？不同的PCB微環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致差分對(duì)內(nèi)的輕微信號(hào)延遲，從而導(dǎo)致生產(chǎn)中明顯的隨機(jī)現(xiàn)場故障。這被稱為“玻纖編織效應(yīng)”，對(duì)于玻纖編織效應(yīng)，預(yù)防比預(yù)測更重要，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中預(yù)測它非常困難。本場直播我們將圍繞“玻纖編織效應(yīng)”展開研討。

電巢直播預(yù)告

2023年6月29日19:30，電巢邀請(qǐng)到西門子EDA季伸彪老師和電巢專家杜正闊老師以《如何減輕高速PCB設(shè)計(jì)中的玻纖編織效應(yīng)》為主題的直播分享。本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，兩位專家老師與大家共同探討玻纖編織效應(yīng)產(chǎn)生的原因，還有大家什么時(shí)候應(yīng)該開始關(guān)注玻纖編織效應(yīng)以及為什么，且玻纖編織效應(yīng)是如何隨機(jī)的造成難以預(yù)測的終端失效問題的。

針對(duì)以上問題，本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)將介紹11種常用的緩解玻纖編織效應(yīng)的方法，更好地協(xié)助設(shè)計(jì)人員控制好產(chǎn)品質(zhì)量，以及實(shí)現(xiàn)未來更具挑戰(zhàn)的高速PCB設(shè)計(jì)。

2、要點(diǎn)前瞻

1、玻纖材料是如何制造的

2、PCB層壓板內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)

3、玻纖類型概述及其對(duì)玻纖編織效應(yīng)的影響

4、誰應(yīng)該關(guān)心玻纖編織效應(yīng)

5、確定性緩解玻纖編織效應(yīng)的方法

6、概率性緩解玻纖編織效應(yīng)的方法

· Skew的定義

當(dāng)差分對(duì)的兩個(gè)信號(hào)在不同的時(shí)間到達(dá)接收器時(shí)，接收器可能會(huì)錯(cuò)誤地解讀正在發(fā)送的數(shù)據(jù)位。兩個(gè)差分信號(hào)之間的未對(duì)準(zhǔn)（如下圖中的“skew”所示）可能導(dǎo)致“眼圖閉合”和碼間干擾(ISI)，二者均為差分信號(hào)傳輸中可導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的通信問題。

圖1. 理想情況下，收到的差分信號(hào)將如左圖所示發(fā)射器端的波形一樣對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)正負(fù)信號(hào)未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生 “差分 SKEW”

·Skew的來源 – 玻纖編織效應(yīng)

玻纖編織效應(yīng)是由于差分對(duì)中一個(gè)信號(hào)周圍的微環(huán)境與差分對(duì)中另一個(gè)信號(hào)不同，微環(huán)境的差異構(gòu)成差分對(duì)兩條走線之間的局部介電常數(shù)差異，其中一半差分信號(hào) “看到” 的樹脂很有可能比另一半差分信號(hào)更多，所以最終得到兩個(gè)不同的有效 Dk，進(jìn)而產(chǎn)生兩個(gè)不同的平均傳播速度，最終導(dǎo)致skew的發(fā)生。

圖2. 相較于底層玻纖，顯示為紅色和藍(lán)色的差分信號(hào)布線的半隨機(jī)對(duì)準(zhǔn)往往會(huì)導(dǎo)致差分對(duì)的兩條信號(hào)具有不同的平均傳播速度。就本圖而言，正差分信號(hào)在玻纖上（速度較慢），而負(fù)信號(hào)的很大一部分布線在樹脂上（速度較快：在傳播速度關(guān)系中，C 為光速）

·緩解玻纖編織效應(yīng)的方法

面對(duì)玻纖編織效應(yīng)，行業(yè)存在各種不同的解決方法，這些方法如果使用得當(dāng)，可以確定性的或者概率性的降低玻纖編織效應(yīng)Skew的發(fā)生，以及減少終端功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，部分減少玻纖編織效應(yīng)的方法，包含：

圖3. 部分玻纖編織效應(yīng)緩解方法

·Z-plannerEnterprise

Z-planner Enterprise 是Siemens EDA提供的一款疊層設(shè)計(jì)與規(guī)劃應(yīng)用，集成了來自全球主流板材供應(yīng)商的200多個(gè)系列的板材數(shù)據(jù)庫，可以滿足不同客戶對(duì)高速PCB材料的需求。包括但不僅限于AGC、Isola、EMC、斗山、ITEQ、南亞、松下、生益、TUC、Rogers、Dupont和Ventec材料商等。

基于Z-planner Enterprise豐富的CCL材料庫以及材料圖譜功能，您可以充分考慮基于不同頻率下的不同玻纖結(jié)構(gòu)的Dk、Df等材料參數(shù)，可以讓您快速的選擇和決策合適的、能夠有效減輕玻纖編織效應(yīng)的高速PCB板材。

圖4. Z-PLANNER ENTERPRISE材料庫中的E-GLASS及相對(duì)應(yīng)的低DK玻纖材料

審核編輯：湯梓紅