仿真玻纖效應(yīng)的影響：時(shí)延、損耗和諧振

在具有良好對(duì)比度的顯微鏡下觀察PCB基板的橫截面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)基板不是均勻的材料。PCB層壓板由纖維編織結(jié)構(gòu)組成，其中玻璃織物包裹在樹脂中。盡管玻璃編織圖案在整個(gè)層壓板中重復(fù)，但材料實(shí)際上在整個(gè)基材中是不均勻的。

這些材料的電氣特性非常不同，這會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題，涉及沿互連的色散、吸收和有效介電常數(shù)的變化。對(duì)于以較小時(shí)鐘頻率運(yùn)行的低速信號(hào)，互連上累積的偏斜可能太小而無法注意到，但這在任何需要高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中都會(huì)出現(xiàn)問題。

玻纖效應(yīng)和介電常數(shù)

FR4 等常見的 PCB 基板是不均勻的，這意味著介電常數(shù)在整個(gè)基板上變化。PCB層壓板通常是方形網(wǎng)格玻璃編織，填充有環(huán)氧樹脂以提供剛性。這兩種材料的電性能非常不同：玻璃編織的損耗非常低，介電常數(shù)接近6。另一方面，環(huán)氧樹脂具有一定的損耗和介電常數(shù)約3或更低。FR4 和其他基板的介電常數(shù)通常引用為整個(gè)互連中的單個(gè)測(cè)量值，本質(zhì)上是玻璃和環(huán)氧樹脂折射率的長(zhǎng)度加權(quán)平均值。

任何玻纖效應(yīng)都是由整個(gè)基材的編織圖案的周期性變化引起的。由于基板材料的介電常數(shù)反復(fù)變化，基板的介電常數(shù)也是各向異性的，不同的方向不同的特性，這意味著信號(hào)看到的介電常數(shù)也取決于信號(hào)傳播的方向。

觀察玻纖布的示意圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)玻纖布如何影響行進(jìn)信號(hào)。

玻布區(qū)域和環(huán)氧樹脂區(qū)域具有不同的介電常數(shù)，因此每個(gè)區(qū)域的走線特性阻抗會(huì)有所不同。然后，這將影響每個(gè)區(qū)域中走線對(duì)的所有其他阻抗值。每條走線中的損耗也會(huì)不同，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)域的有效介電常數(shù)也不同。

可用于確定偏斜的一個(gè)公式涉及使用玻璃和樹脂編織的介電常數(shù)。偏斜基本上是由于每種材料上傳播延遲的差異而累積的，這與介電常數(shù)的差異成正比：

應(yīng)該很容易看出，每個(gè)區(qū)域的有效介電常數(shù)是走線位置、相對(duì)于纖維編織方向的角度以及編織區(qū)域之間的間隔的等效值。通常，具有更緊密玻璃編織（意味著玻布部分之間的孔隙較?。┑幕逶诮殡姵?shù)方面具有較小的變化。沿走線的有效介電常數(shù)的差異在這對(duì)走線中產(chǎn)生了兩種效應(yīng)：

累積時(shí)延偏斜

每條走線中的信號(hào)沿此互連傳輸所需的時(shí)間長(zhǎng)度略有不同。結(jié)果，這些信號(hào)之間會(huì)出現(xiàn)偏斜，即時(shí)延差，這可能會(huì)使它們完全不同步。在低時(shí)鐘速率下，這些信號(hào)之間的偏斜通常太小而無法注意到，只要走線的長(zhǎng)度匹配在一定的容差范圍內(nèi)，就不會(huì)被注意到。但是，當(dāng)通道以 10 Gbps 或更高速率運(yùn)行時(shí)，走線之間的偏斜會(huì)使并行信號(hào)完全不同步。對(duì)于差分對(duì)，這消除了共模噪聲抗擾度并產(chǎn)生位錯(cuò)誤。

走線阻抗不連續(xù)

走線的有效介電常數(shù)決定了沿走線傳播的信號(hào)看到的阻抗。由于基板介電常數(shù)和損耗決定了走線中的有效介電常數(shù)和損耗，因此走線中的阻抗和損耗在整個(gè)互連過程中也各不相同。只要走線相對(duì)較短，這些影響就很小，但在高數(shù)據(jù)速率下產(chǎn)生的更重要的影響是PCB基板中的色散引起的信號(hào)失真。色散指的是波的速度隨頻率的改變而改變的現(xiàn)象。

如果兩條走線沿著完全相同的編織模式并行布線，則兩條走線將因色散而經(jīng)歷相同的總諧波失真，從而消除了誤碼的可能性。在實(shí)際情況下，這幾乎是不可能的。在高數(shù)據(jù)速率下，沿走線產(chǎn)生的脈沖失真變得明顯。這表現(xiàn)為不同并行走線中的不同信號(hào)，通行時(shí)間略有不同。

周期性負(fù)載下的基板諧振

多年來，研發(fā)界一直忽視這個(gè)問題。由于信號(hào)周期性地注入互連并沿跡線傳播，因此信號(hào)并沒有真正局限于導(dǎo)體內(nèi)部。當(dāng)信號(hào)沿著跡線傳播時(shí)，一部分電磁場(chǎng)滲入基板。這導(dǎo)致部分電磁場(chǎng)保持在纖維編織和基材中的環(huán)氧樹脂區(qū)域之間。玻璃編織和環(huán)氧樹脂之間的高折射率對(duì)比度導(dǎo)致相對(duì)強(qiáng)烈的反射，這足以在這些基板空腔中引起入射波和反射波之間的疊加。

這意味著玻璃編織和環(huán)氧樹脂之間的空腔具有一定的共振頻譜。在FR4中，60mils的玻璃編織間距具有約45 GHz的最低階共振頻率（半波長(zhǎng)）。換句話說，以45 GHz（不是45 Gbps，這些并不總是相同的?。┑乃俾蕚鬏?shù)臄?shù)據(jù)將在限制在玻璃和環(huán)氧樹脂之間的走線周圍的基板上產(chǎn)生一些共振。模擬信號(hào)也是如此。這種共振可以在附近的另一條走線中產(chǎn)生感應(yīng)串?dāng)_。

PCB基板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致較低頻率的共振， 取決于走線到玻璃編織的角度;對(duì)角線延伸至玻璃環(huán)氧樹脂腔的走線可以僅由于幾何形狀而激發(fā)較低頻率的共振。除了上述阻抗問題外，這些諧振還會(huì)影響沿互連的插入/回波損耗。

由于在中端數(shù)據(jù)速率/時(shí)鐘頻率下重復(fù)注入信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致插入損耗曲線的額外損耗。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，我們?cè)絹碓浇咏@些GHz諧振頻率，特別是最低階玻璃編織腔頻率。這在以毫米波頻率運(yùn)行的設(shè)備中已經(jīng)是一個(gè)問題。

玻纖效應(yīng)仿真

建模前主要需要了解幾個(gè)信息：疊層、PP和Core的屬性、玻纖布的參數(shù)

根據(jù)以上信息逐步填入?yún)?shù)

0°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分線中一條落在玻纖布下，而另一條則是在玻纖布和樹脂中交錯(cuò)。

10°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分線中的兩條都是均勻的錯(cuò)落在玻纖布和樹脂之間的。

損耗分析

2inch的走線在16GHz將近差了2dB

差模共模轉(zhuǎn)換

0°與10°走線差模轉(zhuǎn)共模差異顯著

Skew分析

因此，此模型下0°走線每inch的skew約為6.3ps

阻抗分析

差分阻抗相差還不大

0°走線的單端阻抗就能看出明顯的差異

2inch走線大概15ps的時(shí)延，通過阻抗看時(shí)延誤差會(huì)大一些。

眼圖分析

信號(hào)的傳播速度與差分對(duì)每一半信號(hào)周圍介質(zhì)的平均端到端介電常數(shù)（Dk 或 εr）的平方根成反比。周圍玻纖較多（εr 約為 7.0）的信號(hào)速度比周圍樹脂較多的信號(hào)速度慢。由此產(chǎn)生的總延遲差異被稱為玻纖編織效應(yīng)。這將導(dǎo)致模式轉(zhuǎn)換，在某些情況下可能導(dǎo)致接收器端的眼圖完全閉合。

10inch長(zhǎng)度25Gbps 速率下10°走線眼圖

配5dB CTLE后

10inch長(zhǎng)度25Gbps速率下0°走線眼圖

配9dB CTLE

再配兩階DFE才能拉回來

10G信號(hào)，0°不開均衡

6inch長(zhǎng)度以下時(shí)，影響縮小到可以接受的范圍

10° 6inch

預(yù)防玻纖編織效應(yīng)

差分通道上的 skew 值范圍通常為 10 到 100 ps，但要預(yù)測(cè)玻纖編織效應(yīng)則是一個(gè)棘手的問題。差分對(duì)中一條布線的介電常數(shù)有多大機(jī)會(huì)不同于另一條布線？有幾個(gè)因素決定了存在 GWS 的可能性，包括：

? 玻纖間距
? 差分走線間距
? 玻纖編織類型
? 布線長(zhǎng)度
? 玻纖與樹脂 Dk (εr)

就玻纖編織效應(yīng)而言，預(yù)防遠(yuǎn)比預(yù)測(cè)要
現(xiàn)實(shí)得多。

玻纖效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

每個(gè)差分串行通道標(biāo)準(zhǔn)和速度都有自己的 skew 容差。大多數(shù)芯片制造商都會(huì)提供自己的 skew 容差指南，但我們通?？梢詫⑼ǖ赖?skew 容差保守地描述為比特流單位間隔 (UI) 的 20%-25%。例如，1 千兆位/秒 (Gbps) (500 MHz) 信號(hào)的 UI 為 1000 ps。使用25% 作為指導(dǎo)準(zhǔn)則，這表示 skew 容差為 250 ps。這是一個(gè)相當(dāng)寬的窗口，也正因?yàn)槿绱?，大多?shù)工程師在 20 年前根本不必?fù)?dān)心 玻纖效應(yīng)影響的問題。

玻纖布的選擇

方案1:最小化樹脂窗口。為什么 1080 玻纖會(huì)引起玻纖編織效應(yīng)問題？主要問題在于，該玻纖類型的 “樹脂窗口”大于其他替代玻纖類型。當(dāng)所有其他條件都相等時(shí)，較高的玻纖覆蓋率意味著差分對(duì)的兩個(gè)信號(hào)沿信號(hào)路徑“看到” 相同或相似的 Dk 環(huán)境的概率較高。

有兩種方法可用于量化各種玻纖類型在玻纖編織效應(yīng)方面的相對(duì)性能：[1] 透氣性和 [2] 玻纖覆蓋率。透氣性結(jié)果較低意味著玻纖覆蓋率較高（高 Dk），且空氣間隙較小（低Dk 樹脂窗口）。緩解玻纖編織效應(yīng)的理想玻纖類型是那些具有最低透氣性的玻纖類型。

縱軸為透氣性，橫軸代表玻纖覆蓋率（百分比）

以上結(jié)果針對(duì)的是單層玻纖結(jié)構(gòu)。盡管對(duì)于相同的電介質(zhì)厚度，雙層玻纖比單層玻纖的成本略高一些，但雙層玻纖，或者更廣泛地說，多層玻纖，經(jīng)證明是一種能夠有效緩解玻纖編織效應(yīng)的方法。其次，在查看圖表時(shí)，需要比較相同介質(zhì)厚度下的常用單層玻纖類型，這一點(diǎn)非常重要。在此方面，例如，106 玻纖應(yīng)該與1067 玻纖比較，而不是與 2116 或 3313 玻纖進(jìn)行比較。按芯板厚度進(jìn)行的分組在圖中顯示為灰色。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，較厚的單層玻纖始終優(yōu)于較薄的單層玻纖。

芯板厚度相似時(shí)可以看到，對(duì)于 2.0 mil 芯板，1067玻纖優(yōu)于 106 玻纖。對(duì)于 2.5 mil 芯板，1078 玻纖優(yōu)于 1080 玻纖。對(duì)于 3 mil 芯板，1086 被認(rèn)為優(yōu)于1080 玻纖。對(duì)于 3.5 至 5 mil 芯板，2116、2113、
1078、1086 和 3313 單層玻纖類型都具有較好的一致性。我們不能確定這些關(guān)系對(duì)其他玻纖制造商而言是否同樣成立，但在考慮不同的玻纖類型時(shí)，這是一個(gè)有益的出發(fā)點(diǎn)。

雙層玻纖可用于降低高速差分對(duì)中的信號(hào)線看到系統(tǒng)性樹脂間隙的概率，因?yàn)閮蓪硬＠w幾乎不太可能相互完全對(duì)準(zhǔn)。綠色頂層作為單一層，其樹脂窗口類似于圖中所示較大的黃色正方形。圖中的紅色第二層玻纖，由于拼板間玻纖的隨機(jī)制造偏移產(chǎn)生的差異，通常能夠幫助縮小純樹脂窗口，從而減小玻纖編織引起的 skew。同樣，我們必須認(rèn)識(shí)到，這里討論的是概率。

結(jié)語

隨著互連速度的不斷提升，作為設(shè)計(jì)流程的一部分，PCB 硬件設(shè)計(jì)人員

需要有效地緩解玻纖編織效應(yīng)。