毫米波頻率下PCB線路板材料的玻璃纖維效應(yīng)是什么樣子

通常，為了提高線路板材料強度，最常用方法是將玻璃纖維/布添加到印刷電路板（PCB）介質(zhì)層中。即使是最薄的PCB，一旦加入玻璃纖維它的強度就能得到改善。但為此會付出的代價是什么呢？性能上有哪些權(quán)衡呢？玻璃有其自身的材料特性，當(dāng)與組成高頻線路板材料的介質(zhì)以及表面銅箔材料相結(jié)合時，它對電路的電氣性能有什么影響呢？這篇博客將試圖“洞察”玻璃纖維對高頻線路板的影響，特別是對毫米波電路的影響。因為毫米波電路在新興的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)（77GHz）和第五代（5G）蜂窩無線通信系統(tǒng)中變得越來越重要。

將玻璃纖維與各種形成線路板材料的樹脂混合編織，這樣形成的印刷線路板強度和耐用性都將大大提升。當(dāng)線路板需要較高的機械強度時，可以將一層或多層玻璃布混合到電介質(zhì)基板中，同時用陶瓷材料作為填充物混合在一起來實現(xiàn)高機械強度。羅杰斯公司的RO4830?層壓板就是采用這種方案。但是，玻璃纖維通常是編織結(jié)構(gòu)，它具有比介電材料（和陶瓷填料）更高的介電常數(shù)（Dk）。具有不同Dk值的材料通常不能在整個混合過程中做到完美的均勻分布，這就導(dǎo)致線路板材料在某一小的區(qū)域內(nèi)具有大小不同的，間隔性的Dk 變化。在RF和微波頻率下，這種Dk的變化可能不那么重要，但在波長較小的毫米波頻率下就會產(chǎn)生較大影響。

玻璃纖維對線路板材料的電路性能的這種影響被稱為玻璃效應(yīng)（GWE）或纖維效應(yīng)（FWE）。玻璃纖維是PCB材料中用于強化的部分，確實有助于制造極薄且耐用的線路板材料。較薄的材料對于具有緊湊封裝要求的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，并且它們非常適用于較高頻率，小波長的電路應(yīng)用，例如28GHz或更高頻率的毫米波電路。

理想情況下，印刷線路板材料是將包括玻璃纖維和銅箔等結(jié)合起來，以實現(xiàn)一致的性能。玻璃纖維不僅是毫米波應(yīng)用的關(guān)注點，也會影響高速數(shù)字電路，影響相鄰信號之間的傳輸延遲和扭曲，以及時序差異（導(dǎo)致誤碼率增加）。本博客就將重點介紹玻璃纖維效應(yīng)GWE是如何影響77 GHz和其它毫米波電路。

辨識變化

在毫米波頻率下，即使線路板材料Dk的微小變化也會導(dǎo)致電氣性能發(fā)生變化，例如產(chǎn)生信號延遲和傳輸線相位的差異。對于較薄的電路，雖然玻璃纖維增加了強度，但是它也增加了比周圍介電材料高得多的Dk。玻璃纖維Dk約為6.0，而介電材料的Dk約為2.1-2.6，混合后可得到總體的Dk約為3.0。用于形成高頻PCB的玻璃纖維/布通常不是完美的柵格，并且在線路板材料制造之前可能因運輸和處理而變形。

另外，高頻PCB材料上的電路布線也可能導(dǎo)致玻璃纖維效應(yīng)對整個電路產(chǎn)生多或是少的性能影響。玻璃布是通過玻璃纖維編織而成，其圖案具有以下特點：在線路板材料的較小區(qū)域中，有些地方會有玻璃纖維的交織疊加，但有些方卻產(chǎn)生空隙，沒有玻璃纖維。傳輸線的性能差異就是發(fā)生在這些玻璃纖維交織不同的區(qū)域。具有較多玻璃纖維的區(qū)域稱之為“指節(jié)交束區(qū)”（knuckle-bundle areas），具有較少玻璃的區(qū)域稱之為“束開口區(qū)”（bundle-open areas）?！爸腹?jié)交束區(qū)”的Dk值會高于玻璃纖維較少的“束開口區(qū)”。因為線路板材料的這種混合特性，傳輸線有可能會同時通過高玻璃纖維區(qū)域、無玻璃區(qū)域、或者以“鋸齒形”同時通過兩個區(qū)域，這將導(dǎo)致同一傳輸線經(jīng)過的地方Dk不同會發(fā)生相當(dāng)大的性能差異。

由于玻璃纖維效應(yīng)隨著頻率升高或更高數(shù)字速度下的影響越來越大，線路板材料的研發(fā)人員試圖通過不同類型的玻璃纖維和圖案將這些影響最小化。下面幾種不同的玻璃纖維類型常用于毫米波電路的線路板材料，分別是：106型開口平衡編織玻璃布、1080型開口不平衡編織玻璃布和1078型扁平開纖平衡編織玻璃布。三種玻璃纖維都是比較薄的，這里的 “平衡”編織是指玻璃纖維的X軸上的玻璃經(jīng)紗與Y軸的緯紗粗細(xì)密度比。玻璃纖維紗集束和之間的開口區(qū)域可能具有不同的幾何結(jié)構(gòu)，但玻璃纖維紗的粗細(xì)密度決定了其是否平衡。1078玻璃布具有扁平開纖編織結(jié)構(gòu)而均勻分布在材料中，無纖維開口區(qū)域；而106和1080玻璃布的材料則不同，在玻璃纖維相互編織之間存在開口。

77 GHz的差異

對不同玻璃布類型線路板材料進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，傳輸線電路位于不同的玻璃纖維“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”，其性能會存在顯著差異。從上述三種典型的玻璃布類型的線路板材料中，設(shè)計電路進(jìn)行測量。材料使用壓延銅最小化銅箔粗糙度帶來的影響，選取分別經(jīng)由“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”的電路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量。測量參數(shù)包括每個電路的群延遲、傳播延遲和相位角響應(yīng)以及帶來的性能差異，以深入了解不同玻璃纖維和不同的玻璃編織結(jié)構(gòu)如何在電路中產(chǎn)生不同Dk值。

本實驗使用了4mil厚度的聚四氟乙烯（PTFE）材料、無填料、壓延銅，以及使用上述三種不同玻璃布相結(jié)合構(gòu)成。采用1078型玻璃纖維的線路板材料，具有扁平、平衡的配置，使得“指節(jié)交束區(qū)”對電路的方向和 “束開口區(qū)”方向之間的差異最小。測試結(jié)果顯示采用這種1078型玻璃纖維的線路板材料制成的電路在77GHz頻率下的相位差僅為20度。

其它兩種玻璃纖維的性能相比如何呢？完全相同的4mil厚的PTFE無填料壓延銅的層壓板材料，在使用的106型玻璃纖維具有開口編織、平衡結(jié)構(gòu)，77 GHz時“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”方向的相位角的平均差異為100度。而在相同的電路材料中使用的1080型玻璃布，其具有開口編織、不平衡結(jié)構(gòu)，電路在77GHz的頻率下相位角平均差異則達(dá)149度。

玻璃纖維效應(yīng)帶來的這些差異，導(dǎo)致線路板材料的Dk變化是多少呢？對上述相同電路的結(jié)果表明：使用1078型玻璃布的材料的電路，“指節(jié)交束區(qū)”電路與“束開口區(qū)”的電路之間的差異對應(yīng)Dk約為0.02的變化。采用106型玻璃布的材料，Dk的差異較大，為0.09。而使用1080型玻璃布材料的電路對應(yīng)的最大Dk差值達(dá)到0.14。

對于使用單層玻璃纖維的線路層壓板，玻璃纖維效應(yīng)比多層玻璃的層壓板更明顯，因為多層玻璃纖維平均疊加會使玻璃的分布更均勻。對于毫米波電路，其波長很小，且通常的電路很薄，材料也通常只使用一層玻璃纖維增強，這種情況下的電路性能將受到玻璃纖維效應(yīng)的更大影響。帶填料的層壓板（如陶瓷）因為具有這種附加的額外材料（其Dk介于玻璃Dk和樹脂體系的Dk之間），雖然不能完全解決玻璃纖維效應(yīng)，但它會在一定程度上使線路板材料上Dk的更加均勻，以減少高頻下玻璃纖維效應(yīng)的影響。例如，羅杰斯公司生產(chǎn)的RO4830?層壓板就是該類型的電路材料，具有1078扁平開纖玻璃布和陶瓷填料。

此外，羅杰斯公司的RO3003?層壓板，不含有玻璃布，是毫米波電路常用的線路板材料選擇之一。這是一種陶瓷填充的PCB材料，其Dk為3.00，Dk容差控制在±0.04的范圍內(nèi)，這種Dk一致性對于毫米波電路以及高速數(shù)字電路中的差分對至關(guān)重要。

去除玻璃纖維

完全避免玻璃纖維效應(yīng)的一種方法是使用沒有玻璃纖維/布的線路板材料。特別是對諸如使用77GHz毫米波的汽車?yán)走_(dá)電路，使用沒有玻璃纖維的高頻線路板材料比含用玻璃纖維增強的線路板材料要好得多。羅杰斯公司最新發(fā)布的RO3003G2?線路層壓板，也是不含有玻璃布的材料，測試表明，在毫米波頻率的不同線路板之間都具有非常一致性能，比如一致的微帶傳輸線阻抗。

提到阻抗變化，其它材料或電路的參數(shù)，例如導(dǎo)體寬度、銅厚和基板厚度的變化，也都可能導(dǎo)致傳輸線阻抗的變化。但是如新發(fā)布的RO3003G2高頻材料完全消除了對電路阻抗或性能變化的帶來影響的玻璃纖維效應(yīng)因素，這對77 GHz及更高頻率下是至關(guān)重要的。