從PCB的材料構(gòu)成談信號(hào)完整性

劉 豐 蘇新虹 胡新星 肖永龍（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

從PCB的材料構(gòu)成談信號(hào)完整性

Paper Code: S-129

劉 豐 蘇新虹 胡新星 肖永龍
（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)和理念迅猛發(fā)展的背景下，PCB產(chǎn)業(yè)受到了前所未有的沖擊。高頻、高速PCB得到了廣泛的應(yīng)用。區(qū)別于傳統(tǒng)更側(cè)重PCB熱可靠性能，現(xiàn)今更多的PCB產(chǎn)品更著重考慮的是PCB的SI(信號(hào)完整性)性能。提高PCB信號(hào)完整性，板材的選擇是重中之重。選定了板材之后，接下來對(duì)玻布、樹脂含量和銅箔的選擇也是至關(guān)重要的。文章針對(duì)PCB板材的基本組成分別討論，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力的說明了如何選擇合適的玻布、樹脂含量和銅箔的方法。

印制電路板材；銅箔；樹脂；玻纖；信號(hào)完整性

1 背景介紹

高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高速通信技術(shù)是未來信息技術(shù)的主要發(fā)展方向，這也要求PCB產(chǎn)品向高速化方向發(fā)展。我們已經(jīng)看到，在通信領(lǐng)域，從過去的2G，發(fā)展到3G、4G，甚至有國外通信設(shè)備供應(yīng)商提出了向未來10G發(fā)展的戰(zhàn)略計(jì)劃。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速率從過去的Mbps到今天的6.25Gbps、12.5Gbps、25Gbps等等。相對(duì)應(yīng)的，我們看到服務(wù)器PCB從過去的無鉛材料發(fā)展到中等損耗的高Tg無鹵材料、低損耗的高速材料等。目前這一趨勢(shì)還在繼續(xù)，以我們熟知的松下材料為例，從Megtron 4到Megtron 6，再到未來更高端的Megtron 7材料，都能從側(cè)面反映高速PCB的發(fā)展趨勢(shì)。

從PCB本身出發(fā)，需綜合考慮材料成本和性能。我們知道，買車時(shí)同一個(gè)型號(hào)的車可以選擇手動(dòng)擋或自動(dòng)擋，買手機(jī)可以選擇內(nèi)存是16 GB還是64 GB，吃套餐時(shí)也有不同搭配可選……同樣，選擇PCB板材時(shí)，要達(dá)到不同的信號(hào)損耗標(biāo)準(zhǔn)，除了選擇板材型號(hào)，選好合適的板材配置也可以達(dá)到這個(gè)目的，甚至能得到更優(yōu)的性價(jià)比。

每一支材料推出都有標(biāo)準(zhǔn)配置和可選配置，如很多板材廠商可以為同一支材料樹脂體系提供標(biāo)準(zhǔn)玻纖或低損耗玻纖、HTE或RTF或VLP銅箔以及不同玻布規(guī)格（1080、2116等）和樹脂含量的半固化片（prepreg）。以銅箔為例，低粗糙度銅箔在頻率越高時(shí)，其趨膚效應(yīng)影響越小，信號(hào)完整性性能也會(huì)越高。

盡管選擇多種多樣，最終決定的還是PCB廠商自己。因此，每一種板材搭配的損耗特性是PCB廠家需要了解的。由于需要大量的數(shù)據(jù)支持，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試過程不可謂不復(fù)雜，但無論如何，這是一項(xiàng)值得付出的工作。

理論上，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)竭_(dá)GHz的頻率時(shí)，使用低損耗玻纖和更低粗糙度的銅箔能夠提高產(chǎn)品信號(hào)完整性性能。在下面的內(nèi)容里，將以某一種PCB常用高速材料為準(zhǔn)，實(shí)際驗(yàn)證在不同的材料搭配下，PCB產(chǎn)品的插入損耗性能。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

表1本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)材料表；圖1本實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)材料表

圖1 試驗(yàn)流程

按上述實(shí)驗(yàn)計(jì)劃投板制作，過程中著重監(jiān)控銅箔棕化后的粗糙度和阻抗控制，阻抗公差收嚴(yán)為±7%。

2.2 測(cè)試板設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選擇一種低損耗材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)為12層、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，板厚約2.0 mm。圖1所示為測(cè)試板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中L2/L4/L6/L8/L10偶數(shù)層設(shè)計(jì)為信號(hào)層，其余各層設(shè)計(jì)為接地層。

實(shí)驗(yàn)中所有傳輸線測(cè)試模型為單端帶狀線結(jié)構(gòu)，傳輸線參考相鄰的上下兩層。

在奇數(shù)層次設(shè)置單端信號(hào)測(cè)試傳輸線，線長330 mm，傳輸線阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。為提高測(cè)試精度，信號(hào)測(cè)試接觸過孔的另一面做背鉆處理。

整個(gè)測(cè)試板設(shè)計(jì)尺寸為長381 mm、寬254 mm。

2.3 樣品制作過程監(jiān)控

對(duì)過程中的棕化后銅箔粗糙度監(jiān)控，得到棕化后粗糙度數(shù)據(jù)如圖2，暫不對(duì)該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，僅作為數(shù)據(jù)記錄的一部分。

圖2 棕化后粗糙度

從棕化后銅箔粗糙度數(shù)據(jù)分析看來，棕化微蝕量對(duì)銅箔本身光面的粗糙度影響不大，基本未超過銅箔的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度數(shù)值。

阻抗數(shù)據(jù)記錄如表2。超出管控公差范圍的樣品直接報(bào)廢處理，信號(hào)測(cè)量時(shí)不做測(cè)試和分析。下表僅給出兩塊板的測(cè)量結(jié)果，實(shí)際制作樣品數(shù)量不止兩片。

表2 阻抗數(shù)據(jù)記錄

阻抗控制在測(cè)量信號(hào)完整性性能中是十分重要的，如果阻抗波動(dòng)范圍過大，會(huì)造成不可忽略的反射，從而對(duì)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度和測(cè)試結(jié)果均造成不利影響。

3 樣品測(cè)試

3.1 測(cè)試方法和設(shè)備

表3為所用的設(shè)備和測(cè)量方法。

表3 測(cè)試設(shè)備和測(cè)試項(xiàng)目

3.2 校準(zhǔn)

ECAL校準(zhǔn)，主要目的為校正測(cè)試系統(tǒng)。校準(zhǔn)后可直接測(cè)量所設(shè)計(jì)的傳輸線總體S21、S11和TDR特性。

經(jīng)過ECAL校準(zhǔn)后，雖然可以直接得到DUT（Device Under Test，被測(cè)物體）的頻域（S參數(shù)）和時(shí)域（TDR參數(shù)）特性，但此時(shí)的插入損耗（S21）為包含過孔、連接器和傳輸線在內(nèi)的總特性。如需要得到單純傳輸線的損耗特性，則需要進(jìn)一步去嵌處理，目前TRL、SOLT方法或安捷倫PLTS去嵌技術(shù)都是不錯(cuò)的選擇，本實(shí)驗(yàn)中采用TRL校準(zhǔn)法。此處不做具體說明，互連網(wǎng)上有很多詳細(xì)介紹。

3.3 樣品測(cè)試結(jié)果

（1）S11測(cè)試：S11反映樣品的反射特性，主要是衡量系統(tǒng)的信號(hào)完整性，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。通常要求小于-10dB即可，且按各種電子產(chǎn)品應(yīng)用的不同頻率具有不同的標(biāo)準(zhǔn)，一般在PCB裸板中，這個(gè)指標(biāo)都可以滿足。

（2）S21測(cè)試：

①TRL校準(zhǔn)：S21為樣品的插入損耗特性，是在信號(hào)完整性研究中一個(gè)最重要的衡量指標(biāo)，單位為dB，或dB 每in。插入損耗越小，系統(tǒng)信號(hào)完整性越優(yōu)良。以INTEL的服務(wù)器新標(biāo)準(zhǔn)為例，要求SET2DIL測(cè)試環(huán)境下的PCB產(chǎn)品插入損耗指標(biāo)需滿足在4 GHz時(shí)小于0.48 dB/in的要求。

對(duì)于S21的測(cè)試，由于僅考慮傳輸線純粹的損耗特性，而排除過孔、連接器、電纜接入點(diǎn)以及測(cè)試點(diǎn)反射等效應(yīng)影響，這里應(yīng)用了TRL校準(zhǔn)技術(shù)。

通俗來講，即使用TRL校準(zhǔn)圖形配合網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件校準(zhǔn)技術(shù)，把過孔、連接器和一部分傳輸線當(dāng)做為測(cè)試點(diǎn)得延伸，即TRL圖形設(shè)計(jì)中的2×THRU，首先測(cè)量出2×THRU的S21，再用所測(cè)傳輸線的總S21減去2× THRU的S21，剩余即為某一段純粹的傳輸線S21，公式表示如下式①和式②：

經(jīng)過TRL校準(zhǔn)后的2×THRU插入損耗為0，延時(shí)（delay）也為0，為校準(zhǔn)質(zhì)量比較好的2×THRU的S21，以及延時(shí)特性，可以看到，在頻域上兩個(gè)參數(shù)基本都為0。

②測(cè)試結(jié)果：如圖4所示為十種實(shí)驗(yàn)組合的S21特性，S21越小即插入損耗越小，信號(hào)完整性性能越優(yōu)異。

圖4 TRL校準(zhǔn)后的S21匯總

上圖中的數(shù)據(jù)單位為dB/in。從上圖中可看出同樣的玻布和樹脂含量情況下，不同銅箔間損耗差異。

將數(shù)據(jù)重新整理后進(jìn)一步分析RTF和VLP銅箔間損耗差異值，如圖5所示：截取1080RC68%對(duì)應(yīng)的傳輸線特性1 GHz到12 GHz插入損耗數(shù)據(jù)可以看出，VLP銅箔對(duì)比RTF銅箔的插入損耗改善約為0.02 dB/in。

圖5 銅箔損耗特性對(duì)比

進(jìn)一步截取VLP銅箔下的各個(gè)玻布和樹脂含量組合得到圖6，如下所示。

圖6所示顯示出同一種材料各中玻纖類型間的損耗差異，其中106玻布損耗最小，2116損耗最大；同時(shí)，同種玻纖不同樹脂含量間略有差異，表現(xiàn)出膠含量高的P片損耗相對(duì)較小。

圖6 玻布和樹脂含量組合的S21對(duì)比

4 結(jié)論

從上述實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

VLP銅箔相對(duì)于RTF銅箔具有更好的信號(hào)完整性性能，在高速PCB中應(yīng)優(yōu)先選用，但要綜合考量成本和可靠性性能；106玻布損耗較小，但價(jià)格較高，可優(yōu)先用于具有高可靠性和高信號(hào)完整性要求的樣品，批量產(chǎn)品應(yīng)慎重使用；在保證阻抗和客戶要求的前提下，適當(dāng)提高疊構(gòu)中的玻布含膠量具有改善PCB產(chǎn)品信號(hào)完整性的效果。

[1]張賢士. 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí), 中興通訊上海第一研究所,2000年,第25頁.

[2]張木水,李玉山. 信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社,2010年,第2,47,88頁.

[3]于爭. 信號(hào)完整性揭秘,機(jī)械工業(yè)出版社,2013年,第110,184頁。

[4]Agilent. Agilent Time Domain Analysis Using a Network Analyzer, 安捷倫技術(shù)論文,第5,6頁；

[5]Roger Stancliff和Joel Dunsmore. The Evolution of RF/Microwave Network Analyzers,安捷倫技術(shù)論文,第2,3,4、5頁.

劉豐，PCB研發(fā)工程師，主要從事PCB信號(hào)完整性研究和高速材料研究和開發(fā)等工作。

Approaching SI performance from PCB material composition

LIU Feng SU Xin-hong HU Xin-xing XIAO Yong-long

As Cloud Computing and Big Data technology and theory developing rapidly, PCB industry is coming across a technical impact. High frequency and high speed PCBs have been widely used in every technical area. Not like traditional PCB featured in emphasizing thermal reliability, SI (Signal Integrity) performance is becoming the most important aspect for modern PCB products. To improve PCB SI performance, the materials selected are the first consideration. When materials are settled, the next is to choose glass style, prepreg and copper foil, which is even more important. The article approaches PCB signal integrity from the basic composition of materials, gives the evidences of choosing the right glass style, resin content and copper foil.

PCB Materials; Copper Foil; Resin; Glass Fiber; Signal Integrity

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0022-05