板廠阻抗控制5%為什么那么難？這個因素就可能把誤差占滿了！
發(fā)布時間：2023-02-07 17:35
作者：一博科技高速先生成員 黃剛
應該有不少的粉絲們對PCB加工工藝有所了解，從PCB設計完成發(fā)到工廠把PCB板加工出來，完成貼片是一個很“漫長”的流程，中間可能需要經(jīng)歷幾十道工序。大家都知道加工會存在誤差，誤差就肯定會導致我們傳輸線的阻抗發(fā)生變化。因此PCB板廠經(jīng)過這么多年的發(fā)展，無數(shù)次的走過這么一套PCB加工的流程，肯定會把阻抗的加工誤差控制到一個合理的范圍，目前常規(guī)的板廠也就是控制在10%的誤差。那么不少朋友肯定就會有疑問，為什么是10%？為什么不能進一步的把常規(guī)控制能力推到8%，甚至5%呢？
從PCB加工工藝一步一步往下去看，你會發(fā)現(xiàn)，幾乎每一個流程都會對傳輸線阻抗控制產(chǎn)生誤差，因此10%這個數(shù)值是板廠綜合到各種誤差之后得出來的一個能夠實現(xiàn)的比較優(yōu)的數(shù)值了，那為什么很難做到8%甚至5%呢？高速先生通過仿真分析下面這個加工因素對阻抗的變化，大家或許能夠對阻抗的控制難度有一個更為知性的認識哈！
今天要說的對阻抗控制產(chǎn)生較大差異的因素是玻纖效應的影響。其實這個因素嚴格意義來說不屬于PCB的加工因素，因為玻纖布類型早在設計階段就可能已經(jīng)選好了，當然有一些客戶在疊層設計的時候只寫上每層的厚度，但是不指定PP和core的玻纖布類型，這樣的話，板廠就會在加工階段自己根據(jù)客戶的厚度來選擇，然后開始加工。這樣的話，選擇PP和core的隨機性就更大了。
大家肯定或多或少聽過不同類型的PP，例如1080，2116，3313，7628等。但是不知道它們具體有什么區(qū)別，這里高速先生給大家稍微深入的普及下哈。下圖的PCB切片就可以看到，PCB介質（無論是core還是PP片）都是由兩部分組成的，包括了玻璃纖維布和樹脂。其中玻璃纖維布就像骨架，起增加強度和支持的作用，樹脂就像膠水，起到粘合的效果。
然后我們說的PP的類型，其實是指玻纖布的類型，樹脂都是一樣的。玻纖布其實和我們大家穿的衣服類似，纖維都是縱橫軸（又叫經(jīng)緯線）編織而成的，但構成線的粗細疏密不一樣，所以布有厚薄、疏密之分。如有些防水防風布，編織非常密且薄，還有一些毛線洞洞裝，厚但是會有洞，透風，玻纖布其實是一樣的結構。
玻纖根據(jù)不同的加工方式，有普通玻纖，開纖布和平織布等，最終的效果是疏密厚薄有差異，我們看到的就是開窗的大小差異較大，如下圖所示。
然后根據(jù)單位長度有不同數(shù)量玻纖束的編織方式，就形成了窗口大小不同的玻纖布類型，下圖是高速先生在“自制”的顯微鏡下在實物板上看到的不同玻纖布的圖像：
那什么是玻纖效應呢？高速先生也花點篇幅和大家介紹下，所謂玻纖效應，并不單純只是玻纖的問題，它是和樹脂一起作用的結果。引起玻纖效應的原因并不只是玻纖是普通玻纖，開窗比較大，而是由于玻璃纖維布本身和樹脂的介電常數(shù)不同。一般來說，玻璃纖維布的介電常數(shù)是6左右，而樹脂是比較低的，一般在2-3之間。這個時候差分線處在玻纖的哪個位置就顯得很重要。
那到底走線在PP上的不同位置會對阻抗有多大差異呢？其實這個事情從仿真和測試都很難用數(shù)據(jù)去量化，因為走線在哪個位置本來就是一件隨機的事情，因此很難得到具體阻抗偏差的范圍，高速先生嘗試在cadence的3D仿真軟件中按照IPC協(xié)會對玻纖布的詳細規(guī)格建出一個3D的玻纖布模型，建的是比較差的1080PP模型，如下所示：
從模型上可以看到，1080的PP玻纖布的開窗是比較大的，我們在上面建了一對理想情況下接近100歐姆的差分線，然后我們通過掃描它在PP上的不同位置仿真得到各自的阻抗，按照走線往右移動每隔2mil的情況進行掃描，大概仿真6個case，如下所示：
然后設置好頻率范圍等參數(shù)就開始仿真3D仿真了。大家是不是很期待仿真出來的阻抗到底有沒有差異呢？別急嘛，高速先生先給大家一些心理的準備，上面說到玻纖效應對阻抗的影響主要是因為走線可能會落到空窗上，也可能會落在玻纖布上，由于兩者介電常數(shù)有差異，因此表現(xiàn)出來的阻抗肯定就有差異了，所以仿真出來的阻抗肯定是會有差異的！
這個仿真看起來模型好像很簡單，但是其實仿真時間是很長的，因為玻纖布的結構還是比較復雜，高速先生用了最近剛配置的高端服務器也需要掃描快2天時間才把6種case的結果仿真出來，所以讓大家等待一下下應該也不過分哈~~~
仿真結果出來了，我們把不同位置的6個case的阻抗仿真結果擺在一起，發(fā)現(xiàn)阻抗的偏差還是比較大的，這6個case的阻抗最高的在105歐姆，最低的是97歐姆，如果以中值101歐姆來算誤差的值，那這個1080PP上的走線的阻抗仿真誤差就已經(jīng)有4%了！這里再多說兩句就是，6個case的結果并不是按照往右移動走線的順序依次排列的，移動2mil不一定就比移動4mil要高，在PP上不同位置的阻抗要根據(jù)具體走線落到更多是玻纖布還是空窗上來決定。
值得注意的另外一點是，即使還是使用1080這種PP類型，差分線的線寬和線間距的組合不同，仿真得到的阻抗肯定也不盡相同，另外掃描不同位置的阻抗，得到的最大最小阻抗誤差的數(shù)值也可能不同，可能更大，也可能更小，原因也是和上述講的是同一個哈。
最后總結一下，玻纖效應只是其中一個會影響阻抗誤差的因素，還有很多影響阻抗的因素，而且有的加工因素可能更難從仿真建模中去衡量，更具有隨機性。因此對一個產(chǎn)品的開發(fā)，可能更重要的不是再從加工上去摳板材從10%到8%甚至5%的阻抗加工誤差了，轉到從PCB上更優(yōu)化的設計去獲取更多的系統(tǒng)裕量會是更現(xiàn)實的方法，這樣才能在板材加工產(chǎn)生一定的阻抗加工誤差的情況下依然擁有很好的裕量，尤其是對阻抗非常敏感的高速串行信號，優(yōu)秀的PCB設計能力和精確的仿真可能能幫到大家的產(chǎn)品擁有更多的裕量來抵抗加工誤差！
