仿真玻纤效应的影响：时延、损耗和谐振-电子发烧友网

在具有良好对比度的显微镜下观察PCB基板的横截面，你会发现基板不是均匀的材料。PCB层压板由纤维编织结构组成，其中玻璃织物包裹在树脂中。尽管玻璃编织图案在整个层压板中重复，但材料实际上在整个基材中是不均匀的。

这些材料的电气特性非常不同，这会产生信号完整性问题，涉及沿互连的色散、吸收和有效介电常数的变化。对于以较小时钟频率运行的低速信号，互连上累积的偏斜可能太小而无法注意到，但这在任何需要高数据速率的应用中都会出现问题。

玻纤效应和介电常数

FR4 等常见的 PCB 基板是不均匀的，这意味着介电常数在整个基板上变化。PCB层压板通常是方形网格玻璃编织，填充有环氧树脂以提供刚性。这两种材料的电性能非常不同：玻璃编织的损耗非常低，介电常数接近6。另一方面，环氧树脂具有一定的损耗和介电常数约3或更低。FR4 和其他基板的介电常数通常引用为整个互连中的单个测量值，本质上是玻璃和环氧树脂折射率的长度加权平均值。

任何玻纤效应都是由整个基材的编织图案的周期性变化引起的。由于基板材料的介电常数反复变化，基板的介电常数也是各向异性的，不同的方向不同的特性，这意味着信号看到的介电常数也取决于信号传播的方向。

观察玻纤布的示意图，就会发现玻纤布如何影响行进信号。

玻布区域和环氧树脂区域具有不同的介电常数，因此每个区域的走线特性阻抗会有所不同。然后，这将影响每个区域中走线对的所有其他阻抗值。每条走线中的损耗也会不同，因为每个区域的有效介电常数也不同。

可用于确定偏斜的一个公式涉及使用玻璃和树脂编织的介电常数。偏斜基本上是由于每种材料上传播延迟的差异而累积的，这与介电常数的差异成正比：

应该很容易看出，每个区域的有效介电常数是走线位置、相对于纤维编织方向的角度以及编织区域之间的间隔的等效值。通常，具有更紧密玻璃编织（意味着玻布部分之间的孔隙较小）的基板在介电常数方面具有较小的变化。沿走线的有效介电常数的差异在这对走线中产生了两种效应：

累积时延偏斜

每条走线中的信号沿此互连传输所需的时间长度略有不同。结果，这些信号之间会出现偏斜，即时延差，这可能会使它们完全不同步。在低时钟速率下，这些信号之间的偏斜通常太小而无法注意到，只要走线的长度匹配在一定的容差范围内，就不会被注意到。但是，当通道以 10 Gbps 或更高速率运行时，走线之间的偏斜会使并行信号完全不同步。对于差分对，这消除了共模噪声抗扰度并产生位错误。

走线阻抗不连续

走线的有效介电常数决定了沿走线传播的信号看到的阻抗。由于基板介电常数和损耗决定了走线中的有效介电常数和损耗，因此走线中的阻抗和损耗在整个互连过程中也各不相同。只要走线相对较短，这些影响就很小，但在高数据速率下产生的更重要的影响是PCB基板中的色散引起的信号失真。色散指的是波的速度随频率的改变而改变的现象。

如果两条走线沿着完全相同的编织模式并行布线，则两条走线将因色散而经历相同的总谐波失真，从而消除了误码的可能性。在实际情况下，这几乎是不可能的。在高数据速率下，沿走线产生的脉冲失真变得明显。这表现为不同并行走线中的不同信号，通行时间略有不同。

周期性负载下的基板谐振

多年来，研发界一直忽视这个问题。由于信号周期性地注入互连并沿迹线传播，因此信号并没有真正局限于导体内部。当信号沿着迹线传播时，一部分电磁场渗入基板。这导致部分电磁场保持在纤维编织和基材中的环氧树脂区域之间。玻璃编织和环氧树脂之间的高折射率对比度导致相对强烈的反射，这足以在这些基板空腔中引起入射波和反射波之间的叠加。

这意味着玻璃编织和环氧树脂之间的空腔具有一定的共振频谱。在FR4中，60mils的玻璃编织间距具有约45 GHz的最低阶共振频率（半波长）。换句话说，以45 GHz（不是45 Gbps，这些并不总是相同的！）的速率传输的数据将在限制在玻璃和环氧树脂之间的走线周围的基板上产生一些共振。模拟信号也是如此。这种共振可以在附近的另一条走线中产生感应串扰。

PCB基板的复杂结构会导致较低频率的共振，取决于走线到玻璃编织的角度;对角线延伸至玻璃环氧树脂腔的走线可以仅由于几何形状而激发较低频率的共振。除了上述阻抗问题外，这些谐振还会影响沿互连的插入/回波损耗。

由于在中端数据速率/时钟频率下重复注入信号，这会导致插入损耗曲线的额外损耗。随着数据速率的不断提高，我们越来越接近这些GHz谐振频率，特别是最低阶玻璃编织腔频率。这在以毫米波频率运行的设备中已经是一个问题。

玻纤效应仿真

建模前主要需要了解几个信息：叠层、PP和Core的属性、玻纤布的参数

根据以上信息逐步填入参数

0°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分线中一条落在玻纤布下，而另一条则是在玻纤布和树脂中交错。

10°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分线中的两条都是均匀的错落在玻纤布和树脂之间的。

损耗分析

2inch的走线在16GHz将近差了2dB

差模共模转换

0°与10°走线差模转共模差异显著

Skew分析

因此，此模型下0°走线每inch的skew约为6.3ps

阻抗分析

差分阻抗相差还不大

0°走线的单端阻抗就能看出明显的差异

2inch走线大概15ps的时延，通过阻抗看时延误差会大一些。

眼图分析

信号的传播速度与差分对每一半信号周围介质的平均端到端介电常数（Dk 或 εr）的平方根成反比。周围玻纤较多（εr 约为 7.0）的信号速度比周围树脂较多的信号速度慢。由此产生的总延迟差异被称为玻纤编织效应。这将导致模式转换，在某些情况下可能导致接收器端的眼图完全闭合。

10inch长度25Gbps 速率下10°走线眼图

配5dB CTLE后

10inch长度25Gbps速率下0°走线眼图

配9dB CTLE

再配两阶DFE才能拉回来

10G信号，0°不开均衡

6inch长度以下时，影响缩小到可以接受的范围

10° 6inch

预防玻纤编织效应

差分通道上的 skew 值范围通常为 10 到 100 ps，但要预测玻纤编织效应则是一个棘手的问题。差分对中一条布线的介电常数有多大机会不同于另一条布线？有几个因素决定了存在 GWS 的可能性，包括：

• 玻纤间距
• 差分走线间距
• 玻纤编织类型
• 布线长度
• 玻纤与树脂 Dk (εr)

就玻纤编织效应而言，预防远比预测要
现实得多。

玻纤效应的标准

每个差分串行通道标准和速度都有自己的 skew 容差。大多数芯片制造商都会提供自己的 skew 容差指南，但我们通常可以将通道的 skew 容差保守地描述为比特流单位间隔 (UI) 的 20%-25%。例如，1 千兆位/秒 (Gbps) (500 MHz) 信号的 UI 为 1000 ps。使用25% 作为指导准则，这表示 skew 容差为 250 ps。这是一个相当宽的窗口，也正因为如此，大多数工程师在 20 年前根本不必担心玻纤效应影响的问题。

玻纤布的选择

方案1:最小化树脂窗口。为什么 1080 玻纤会引起玻纤编织效应问题？主要问题在于，该玻纤类型的 “树脂窗口”大于其他替代玻纤类型。当所有其他条件都相等时，较高的玻纤覆盖率意味着差分对的两个信号沿信号路径“看到” 相同或相似的 Dk 环境的概率较高。

有两种方法可用于量化各种玻纤类型在玻纤编织效应方面的相对性能：[1] 透气性和 [2] 玻纤覆盖率。透气性结果较低意味着玻纤覆盖率较高（高 Dk），且空气间隙较小（低Dk 树脂窗口）。缓解玻纤编织效应的理想玻纤类型是那些具有最低透气性的玻纤类型。

纵轴为透气性，横轴代表玻纤覆盖率（百分比）

以上结果针对的是单层玻纤结构。尽管对于相同的电介质厚度，双层玻纤比单层玻纤的成本略高一些，但双层玻纤，或者更广泛地说，多层玻纤，经证明是一种能够有效缓解玻纤编织效应的方法。其次，在查看图表时，需要比较相同介质厚度下的常用单层玻纤类型，这一点非常重要。在此方面，例如，106 玻纤应该与1067 玻纤比较，而不是与 2116 或 3313 玻纤进行比较。按芯板厚度进行的分组在图中显示为灰色。根据这一数据，较厚的单层玻纤始终优于较薄的单层玻纤。

芯板厚度相似时可以看到，对于 2.0 mil 芯板，1067玻纤优于 106 玻纤。对于 2.5 mil 芯板，1078 玻纤优于 1080 玻纤。对于 3 mil 芯板，1086 被认为优于1080 玻纤。对于 3.5 至 5 mil 芯板，2116、2113、
1078、1086 和 3313 单层玻纤类型都具有较好的一致性。我们不能确定这些关系对其他玻纤制造商而言是否同样成立，但在考虑不同的玻纤类型时，这是一个有益的出发点。

双层玻纤可用于降低高速差分对中的信号线看到系统性树脂间隙的概率，因为两层玻纤几乎不太可能相互完全对准。绿色顶层作为单一层，其树脂窗口类似于图中所示较大的黄色正方形。图中的红色第二层玻纤，由于拼板间玻纤的随机制造偏移产生的差异，通常能够帮助缩小纯树脂窗口，从而减小玻纤编织引起的 skew。同样，我们必须认识到，这里讨论的是概率。