毫米波频率下PCB线路板材料的玻璃纤维效应是什么样子

通常，为了提高线路板材料强度，最常用方法是将玻璃纤维/布添加到印刷电路板（PCB）介质层中。即使是最薄的PCB，一旦加入玻璃纤维它的强度就能得到改善。但为此会付出的代价是什么呢？性能上有哪些权衡呢？玻璃有其自身的材料特性，当与组成高频线路板材料的介质以及表面铜箔材料相结合时，它对电路的电气性能有什么影响呢？这篇博客将试图“洞察”玻璃纤维对高频线路板的影响，特别是对毫米波电路的影响。因为毫米波电路在新兴的汽车雷达系统（77GHz）和第五代（5G）蜂窝无线通信系统中变得越来越重要。

将玻璃纤维与各种形成线路板材料的树脂混合编织，这样形成的印刷线路板强度和耐用性都将大大提升。当线路板需要较高的机械强度时，可以将一层或多层玻璃布混合到电介质基板中，同时用陶瓷材料作为填充物混合在一起来实现高机械强度。罗杰斯公司的RO4830™层压板就是采用这种方案。但是，玻璃纤维通常是编织结构，它具有比介电材料（和陶瓷填料）更高的介电常数（Dk）。具有不同Dk值的材料通常不能在整个混合过程中做到完美的均匀分布，这就导致线路板材料在某一小的区域内具有大小不同的，间隔性的Dk 变化。在RF和微波频率下，这种Dk的变化可能不那么重要，但在波长较小的毫米波频率下就会产生较大影响。

玻璃纤维对线路板材料的电路性能的这种影响被称为玻璃效应（GWE）或纤维效应（FWE）。玻璃纤维是PCB材料中用于强化的部分，确实有助于制造极薄且耐用的线路板材料。较薄的材料对于具有紧凑封装要求的应用具有明显的优势，并且它们非常适用于较高频率，小波长的电路应用，例如28GHz或更高频率的毫米波电路。

理想情况下，印刷线路板材料是将包括玻璃纤维和铜箔等结合起来，以实现一致的性能。玻璃纤维不仅是毫米波应用的关注点，也会影响高速数字电路，影响相邻信号之间的传输延迟和扭曲，以及时序差异（导致误码率增加）。本博客就将重点介绍玻璃纤维效应GWE是如何影响77 GHz和其它毫米波电路。

辨识变化

在毫米波频率下，即使线路板材料Dk的微小变化也会导致电气性能发生变化，例如产生信号延迟和传输线相位的差异。对于较薄的电路，虽然玻璃纤维增加了强度，但是它也增加了比周围介电材料高得多的Dk。玻璃纤维Dk约为6.0，而介电材料的Dk约为2.1-2.6，混合后可得到总体的Dk约为3.0。用于形成高频PCB的玻璃纤维/布通常不是完美的栅格，并且在线路板材料制造之前可能因运输和处理而变形。

另外，高频PCB材料上的电路布线也可能导致玻璃纤维效应对整个电路产生多或是少的性能影响。玻璃布是通过玻璃纤维编织而成，其图案具有以下特点：在线路板材料的较小区域中，有些地方会有玻璃纤维的交织叠加，但有些方却产生空隙，没有玻璃纤维。传输线的性能差异就是发生在这些玻璃纤维交织不同的区域。具有较多玻璃纤维的区域称之为“指节交束区”（knuckle-bundle areas），具有较少玻璃的区域称之为“束开口区”（bundle-open areas）。“指节交束区”的Dk值会高于玻璃纤维较少的“束开口区”。因为线路板材料的这种混合特性，传输线有可能会同时通过高玻璃纤维区域、无玻璃区域、或者以“锯齿形”同时通过两个区域，这将导致同一传输线经过的地方Dk不同会发生相当大的性能差异。

由于玻璃纤维效应随着频率升高或更高数字速度下的影响越来越大，线路板材料的研发人员试图通过不同类型的玻璃纤维和图案将这些影响最小化。下面几种不同的玻璃纤维类型常用于毫米波电路的线路板材料，分别是：106型开口平衡编织玻璃布、1080型开口不平衡编织玻璃布和1078型扁平开纤平衡编织玻璃布。三种玻璃纤维都是比较薄的，这里的 “平衡”编织是指玻璃纤维的X轴上的玻璃经纱与Y轴的纬纱粗细密度比。玻璃纤维纱集束和之间的开口区域可能具有不同的几何结构，但玻璃纤维纱的粗细密度决定了其是否平衡。1078玻璃布具有扁平开纤编织结构而均匀分布在材料中，无纤维开口区域；而106和1080玻璃布的材料则不同，在玻璃纤维相互编织之间存在开口。

77 GHz的差异

对不同玻璃布类型线路板材料进行的研究发现，传输线电路位于不同的玻璃纤维“指节交束区”和“束开口区”，其性能会存在显著差异。从上述三种典型的玻璃布类型的线路板材料中，设计电路进行测量。材料使用压延铜最小化铜箔粗糙度带来的影响，选取分别经由“指节交束区”和“束开口区”的电路进行网络分析仪的测量。测量参数包括每个电路的群延迟、传播延迟和相位角响应以及带来的性能差异，以深入了解不同玻璃纤维和不同的玻璃编织结构如何在电路中产生不同Dk值。

本实验使用了4mil厚度的聚四氟乙烯（PTFE）材料、无填料、压延铜，以及使用上述三种不同玻璃布相结合构成。采用1078型玻璃纤维的线路板材料，具有扁平、平衡的配置，使得“指节交束区”对电路的方向和 “束开口区”方向之间的差异最小。测试结果显示采用这种1078型玻璃纤维的线路板材料制成的电路在77GHz频率下的相位差仅为20度。

其它两种玻璃纤维的性能相比如何呢？完全相同的4mil厚的PTFE无填料压延铜的层压板材料，在使用的106型玻璃纤维具有开口编织、平衡结构，77 GHz时“指节交束区”和“束开口区”方向的相位角的平均差异为100度。而在相同的电路材料中使用的1080型玻璃布，其具有开口编织、不平衡结构，电路在77GHz的频率下相位角平均差异则达149度。

玻璃纤维效应带来的这些差异，导致线路板材料的Dk变化是多少呢？对上述相同电路的结果表明：使用1078型玻璃布的材料的电路，“指节交束区”电路与“束开口区”的电路之间的差异对应Dk约为0.02的变化。采用106型玻璃布的材料，Dk的差异较大，为0.09。而使用1080型玻璃布材料的电路对应的最大Dk差值达到0.14。

对于使用单层玻璃纤维的线路层压板，玻璃纤维效应比多层玻璃的层压板更明显，因为多层玻璃纤维平均叠加会使玻璃的分布更均匀。对于毫米波电路，其波长很小，且通常的电路很薄，材料也通常只使用一层玻璃纤维增强，这种情况下的电路性能将受到玻璃纤维效应的更大影响。带填料的层压板（如陶瓷）因为具有这种附加的额外材料（其Dk介于玻璃Dk和树脂体系的Dk之间），虽然不能完全解决玻璃纤维效应，但它会在一定程度上使线路板材料上Dk的更加均匀，以减少高频下玻璃纤维效应的影响。例如，罗杰斯公司生产的RO4830™层压板就是该类型的电路材料，具有1078扁平开纤玻璃布和陶瓷填料。

此外，罗杰斯公司的RO3003™层压板，不含有玻璃布，是毫米波电路常用的线路板材料选择之一。这是一种陶瓷填充的PCB材料，其Dk为3.00，Dk容差控制在±0.04的范围内，这种Dk一致性对于毫米波电路以及高速数字电路中的差分对至关重要。

去除玻璃纤维

完全避免玻璃纤维效应的一种方法是使用没有玻璃纤维/布的线路板材料。特别是对诸如使用77GHz毫米波的汽车雷达电路，使用没有玻璃纤维的高频线路板材料比含用玻璃纤维增强的线路板材料要好得多。罗杰斯公司最新发布的RO3003G2™线路层压板，也是不含有玻璃布的材料，测试表明，在毫米波频率的不同线路板之间都具有非常一致性能，比如一致的微带传输线阻抗。

提到阻抗变化，其它材料或电路的参数，例如导体宽度、铜厚和基板厚度的变化，也都可能导致传输线阻抗的变化。但是如新发布的RO3003G2高频材料完全消除了对电路阻抗或性能变化的带来影响的玻璃纤维效应因素，这对77 GHz及更高频率下是至关重要的。