高速PCB材料介绍与应用

高速设计漫谈2018-05-20 23:46:06

先歪个楼,最近有很多关注公众号的朋友和笔者交流他们在实际工作中遇到的一些高速方面问题并表示对公众号内容的肯定,非常感谢这些朋友的鼓励。当时创办这个公众号的初衷就是希望能和大家多多交流高速方面的设计。如果大家有问题或者建议欢迎加笔者微信号进行交流,如果您觉得文章好还请帮忙分享,谢谢!最后感谢大家对高速设计漫谈公众号的支持。楼歪完了,下面进入正题。


PCB在高速互连系统组成中占比非常高,PCB性能的好坏直接决定了整个高速系统的性能。同样PCB板材的性能也决定了PCB的高速性能。

 

大家平时接触最多的PCB板材为FR4,FR4并不是具体指某一个型号的板材,而是一种类型材料的统称。FR4价格低,可靠性好,所以在电子类产品中应用非常广泛。但是随着信号速率不断的提升,FR4高速性能的瓶颈凸显,高速性能更好的板材需求则日益增加。

 

PCB板材的主要组成部分有铜箔,树脂以及玻璃纤维布这块。下图PCB的横截面切片图,其中白色部分为铜箔,黑色部分为树脂,带状以及椭圆形结构为玻璃纤维布。


铜箔


覆铜板即芯板来料时上下表层有完整的铜箔,工厂将铜箔按照设计文件蚀刻后即为PCB的走线,所以铜箔的高速性能和PCB走线的性能密切相关。铜箔的选择主要有以下两个方面

 

1. 铜箔的粗糙度类型,对信号损耗有直接的影响

2. 铜箔的厚度,对PCB的层叠结构设计有影响

 

铜箔按照不同的粗糙度程度主要划分为STD铜箔,VLP铜箔和HVLP铜箔等。


三种不同铜箔粗糙度的Rz如下,t为铜箔厚度,可以看出随着粗糙度的增加,Rz逐渐增大,损耗也会增大。


除了不同铜箔类型的粗糙度值不一样外,同一块铜箔的两面粗糙度也不太一样,我们一般将覆铜板上铜箔和树脂接触的一面称为“毛面”,另外一面称为“光面”,如下图所示,VLP铜箔的毛面要比光面的粗糙度大,这是因为粗糙些的毛面可以和树脂充分接触以保证铜箔的剥离强度。


RTF铜箔则是个特例,RTF铜箔为反转铜箔,顾名思义它是将铜箔翻了个面,所以它的毛面要比光面的粗糙度小。


上述只是板材来料时的铜箔粗糙度,由于PCB在加工时某些工序需要对铜箔进行粗化处理,比如棕化时需要增加铜箔光面的粗糙度以保证压合时铜箔光面和半固化片的黏合强度,如果是VLP或者HVLP铜箔的话则会将本来低粗糙度的表面变得粗糙,使得损耗增大。

 

为了保持VLP/HVLP铜箔表面的低粗糙度,在压合前可以使用低粗糙度药水来改善这种情况,比如美格(MEC)的FlatBOND工艺以及安美特(ATOTECH)的Secure HFz工艺。

 

很多仿真软件提供铜箔粗糙度的数学模型,业界常用的有锯齿模型,雪球模型这两种。由于实际铜箔粗糙度在PCB加工时会发生变化,而板材供应商提供的粗糙度参数只是基于来料的测试,直接使用会造成偏差。想要得到精确的仿真结果建议使用加工过程中测试得到的粗糙度参数。


目前提供低粗糙度铜箔的厂家主要有古河电工,卢森堡电路,三井等,每个厂家的VLP/HVLP铜箔的粗糙度参数会有所差别,不同板材厂家使用的铜箔可能来自不同的铜箔供应商,在选择板材时可以让板材厂家提供精确的铜箔粗糙度参数供参考。


玻璃纤维布

 

玻璃纤维布填充在树脂内部,主要作用是增加PCB的X-Y方向上的机械强度,它的选择主要有以下因素:

 

1. 玻璃纤维布的编织数量以及类型

2. 是否为低损耗的玻璃纤维布

 

玻璃纤维布有两个编织方向,其中横向的一般称为“纬纱”,纵向的一般称为“经纱”。


玻璃纤维布有多种型号,每种型号的经纬向编织数量也不太一样,下面是常见几种玻璃纤维布规格。


对于玻璃纤维布编织数量较少的规格来说,两两之间玻璃束的间隙会较大,因为间隙处会有树脂填充,这里的DK会比其他地方要低。如果一对差分线一根走线在玻璃纤维束上,一根走线走在玻璃纤维束的间隙上,那么这两个走线就会存在传输延时偏差,导致差共模转化增大,这就是“玻纤效应”。


为了解决“玻纤效应”,业界通常采用角度走线或者制板时旋转材料来减少差分对的传输延时差异。但是这两种方法有各自的问题。角度走线设计可能会给PCB设计上带来难度,而旋转板材则会造成大量材料浪费,增加制板成本。


除了上述的方法外,还可以通过玻璃布规格选择来减轻玻纤效应带来的影响。除了选择编织较密的规格外,对于间隙较大的玻璃布规格通常供应商会有与之对应的扁平玻璃布,这种扁平化玻璃布通过将玻璃束压缩展开来减小两两玻璃束的间隙。


很多高速板材的玻璃纤维布有普通损耗和低损耗这两种规格配置。目前这类低损耗的玻璃纤维布主要由日东纺(Nittobo)提供,日东纺的NE-glass玻璃玻纤布除了有较低的DF外,还有较低的DK值。由于没加板材厂商对配置低损耗玻璃纤维布的板材型号叫法并不统一,板材选型时需要咨询对应的厂商。


玻璃纤维布的仿真较为复杂,目前没有仿真软件给出简便的建模方案,需要根据玻璃纤维布的编织条数手动绘制,然后再用3D电磁场软件进行电磁分析。


树脂

 

树脂是板材最主要的组成部分,不同厂家板材的树脂体系都不相同,在选择板材时除了需要关注DK,DF值外,树脂的含量也是需要注意的,如果选择的PP规格树脂含量过高,则PCB加工时流胶现象可能会比较严重,导致不同区域的介质厚度不一致;如果树脂含量过低的话则DK值较大,不利用叠层设计以及损耗。


目前主流的板材厂家以及高速板材如下所示,不同厂家的同一个产品可能会有多种配置版本,不同配置版本的命名主要用后缀区分,有的后缀表示产地,有的后缀则表示玻璃纤维布的区别等。不同配置的性能价格都不一样,这些信息需要向板材厂家咨询。


板材厂家给出的DK,DF以及铜箔粗糙度等参数都是基于原材料本身测试得到的,这些值在设计时可以参考,但是有些参数会在PCB加工过程中会发生变化。为了得到精确的数据用于后续的仿真与设计,有条件的用户可以做材料测试板进行实际测试。材料测试需要用到网络分析仪,探针台等仪器设备以及各种校准方法。




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