有時(shí)候一句話就能改善高速信號(hào)的通道損耗？？？
發(fā)布時(shí)間：2023-09-18 16:46
作者：一博科技高速先生自媒體成員 黃剛
給大家一個(gè)思考的場(chǎng)景：當(dāng)PCB設(shè)計(jì)完成，板材疊層確定，已經(jīng)進(jìn)入投板狀態(tài)了，這時(shí)仿真評(píng)估發(fā)現(xiàn)高速信號(hào)通道裕量可能不保險(xiǎn)，還有機(jī)會(huì)改善嗎？ 當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)的概率不會(huì)很大啦，因?yàn)榧热灰M(jìn)行仿真評(píng)估，那仿真驗(yàn)證的工作肯定會(huì)放在前面去，來(lái)提前判斷通道的損耗是否ok，來(lái)確定是否使用更好的板材或者走更寬的走線來(lái)減小損耗。如果你真的遇到了一個(gè)設(shè)計(jì)完才開(kāi)始仿真來(lái)進(jìn)行損耗評(píng)估的SI工程師的話，高速先生可能都會(huì)為你感到悲傷哦！
但是要是你真的那么不走運(yùn)，遇到了一個(gè)這樣的仿真工程師，在你完成設(shè)計(jì)準(zhǔn)備投板的時(shí)候告訴你高速信號(hào)的損耗裕量可能有點(diǎn)不夠時(shí)，你還可以怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候疊層和板材早就確定好了，器件布局、走線都完成了，可能你需要重新推倒重新設(shè)計(jì)的概率已經(jīng)超過(guò)了95%了，這個(gè)時(shí)候你看看這篇文章，有可能你就抓住剩下的5%的可能性，說(shuō)簡(jiǎn)單的一句話就能改善本來(lái)不太夠的損耗！
到底這篇文章想說(shuō)怎么樣的一個(gè)方法呢？我們先賣個(gè)關(guān)子哈。首先我們來(lái)看看我們PCB走線的損耗到底是由哪幾大部分來(lái)決定的哈！
我們先從大方向來(lái)介紹PCB的損耗的分類?？傮w分為3種損耗：導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗和輻射損耗。大家可能聽(tīng)前兩種比較多，實(shí)際情況下PCB的損耗也主要以前兩種為主。至于輻射損耗，它也是和介電常數(shù)DK相關(guān)的，另外輻射損耗基本只會(huì)在微帶線存在，而且設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑?，可以把它降低到一個(gè)比較低的水平，在總的損耗里面占的比例非常小，這里不展開(kāi)來(lái)介紹。
其中介質(zhì)損耗主要由偶極子的極化現(xiàn)象所產(chǎn)生的，為了大家不喜歡聽(tīng)太多理論的習(xí)慣出發(fā)，我們把理論長(zhǎng)話短說(shuō)，就好像下圖一樣，施加電壓頻率越高，那么電流就越大，材料中發(fā)生擺動(dòng)的偶極子數(shù)越多，在電場(chǎng)作用下偶極子移動(dòng)量越大，同時(shí)體電阻率越大，介質(zhì)中的功率損耗也就越高了。為了描述這個(gè)度量偶極子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的材料特性，DF這個(gè)概念就應(yīng)運(yùn)而生了。
再說(shuō)說(shuō)另外一部分，導(dǎo)體損耗的原理。首先必須知道高速理論中有一個(gè)重要的概念，叫做趨膚效應(yīng)，在較高頻時(shí)電流會(huì)沿著導(dǎo)體的表面來(lái)運(yùn)行，也就是在高頻的時(shí)候，我們電阻的大小取決于電流流過(guò)的橫截面大小，電流流經(jīng)的橫截面越小，電阻越大，因此導(dǎo)體損耗也是隨著頻率的升高而逐漸增大。
對(duì)不起，高速先生已經(jīng)盡力去壓縮理論知識(shí)了，可能還會(huì)有部分粉絲覺(jué)得不需要，但是這個(gè)對(duì)于大家如何去分析PCB走線的損耗還是有很大的幫助哈！ 總結(jié)一下上面所說(shuō)到的損耗因素，就是板材主要決定了介質(zhì)損耗，也就是我們常說(shuō)的板材DF的大小對(duì)損耗的影響是最大的，也正是因?yàn)檫@個(gè)原因我們區(qū)分出了不同等級(jí)的板材。另外走線的線寬和銅厚影響著導(dǎo)體損耗。上面說(shuō)的和我們摘要的場(chǎng)景是很符合的，板材定了，基本上介質(zhì)損耗定了，疊層和設(shè)計(jì)定了，走線的結(jié)構(gòu)定了，導(dǎo)體損耗也基本上定了。那么如果在這種情況下還想改善損耗的話，我們就必須看看到底還有沒(méi)有什么因素能夠影響我們的損耗了。
其實(shí)看到我們高速先生文章或者我們新推出的書(shū)籍的粉絲就會(huì)知道，除了上面的因素外，我們還介紹了銅箔粗糙度的影響。銅箔表面是比較粗糙的（為了增加銅箔和PP的粘結(jié)性），所以高速需要考慮銅箔粗糙度，而銅箔粗糙的程度也會(huì)影響走線的損耗。
其實(shí)這個(gè)損耗也可以算在導(dǎo)體損耗里面去，原理大概是這樣的，由于有趨膚效應(yīng)，電流會(huì)在銅牙上傳輸，經(jīng)過(guò)突起的銅牙時(shí)，相較于平滑的銅面，電流的傳輸路徑變長(zhǎng)了，因此又會(huì)進(jìn)一步同時(shí)增加直流和交流電阻，從而增加導(dǎo)體損耗。
我們熟知的幾種不同粗糙度等級(jí)類型的銅箔包括了普通STD銅箔，RTF反轉(zhuǎn)銅箔和HVLP超低輪廓銅箔，當(dāng)然現(xiàn)在還有在HVLP銅箔基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化的HVLP2和HVLP3銅箔了。但是現(xiàn)實(shí)是這樣的，很多朋友知道了不同的粗糙度的銅箔會(huì)影響損耗，但是不知道到底有多大的影響，能不能有定量的數(shù)據(jù)來(lái)給出。大家其實(shí)想一想都覺(jué)得不容易，不容易的點(diǎn)主要是損耗是由幾個(gè)大的部分共同組成的，主要包括了板材DF、走線寬度和銅厚、參考層厚度以及現(xiàn)在說(shuō)的銅箔粗糙度。如果你想單獨(dú)提取出不同類型的銅箔粗糙度的影響，那你就必須保證其中的因素是一致的才能單純的提取出來(lái)。說(shuō)具體點(diǎn)也就是要保證板材一樣，走線結(jié)構(gòu)一樣，走線參考的厚度也一樣的情況下，只是銅箔粗糙度不一樣才能單獨(dú)知道銅箔粗糙度的影響。大家覺(jué)得有可能做到嗎？
當(dāng)然，高速先生既然問(wèn)出來(lái)，說(shuō)明高速先生肯定已經(jīng)做到了哈！高速先生為此也專門(mén)制作了一塊測(cè)試板，為的就是對(duì)比下現(xiàn)在很流行的RTF和HVLP銅箔的差異。對(duì)，單純是銅箔不一樣帶來(lái)的差異！
高速先生在同一個(gè)疊層里上下部分分別去做HVLP和RTF銅箔，由于上下部分是對(duì)稱的，因此走線結(jié)構(gòu)和介質(zhì)厚度完全相同，另外同一個(gè)疊層的話就表示板材一樣，也是同一次加工，不會(huì)產(chǎn)生加工誤差，因?yàn)榉謩e在指定的RTF和HVLP銅箔的走線層走一樣長(zhǎng)度的走線，就能夠成功做到這一點(diǎn)啦！
就像這塊測(cè)試板一樣，我們?cè)贚5層和L12層分別走RTF和HVLP銅箔的走線，走線長(zhǎng)度一致（去嵌后走線長(zhǎng)度為3inch），因此除了銅箔粗糙度不一樣，其他因素都能保證相同，這樣的話進(jìn)行這兩對(duì)走線的測(cè)試，就能夠很純粹的對(duì)比得到兩種不同銅箔粗糙度對(duì)損耗的影響了。
恩，話不多說(shuō)，我們立馬給出測(cè)試出來(lái)的損耗差異，如下所示：從損耗的結(jié)果來(lái)看，RTF銅箔的確會(huì)比HVLP銅箔要差（這個(gè)大家都知道了）。而從定量的結(jié)果來(lái)分析，單純銅箔粗糙度對(duì)損耗的影響來(lái)到了15%-20%的程度，算是一個(gè)很大的影響因素了。
本篇文章算是比較長(zhǎng)的文章了，首先我們從理論上給大家分析了造成PCB損耗的幾個(gè)大的因素。然后我們給大家分享了一種如何單獨(dú)提取出不同銅箔粗糙度對(duì)損耗的影響的測(cè)試方法，從而定量的得到了不同粗糙度對(duì)走線損耗的影響程度。
好了，說(shuō)了半天回答下剛開(kāi)始場(chǎng)景的問(wèn)題了，有沒(méi)有可能在設(shè)計(jì)和板材疊層都不變的情況下一句話改善損耗的方法呢？有的等級(jí)的板材可能會(huì)配有多種粗糙度類型的銅箔，而且如果不明顯提出的話，標(biāo)配是比較low的類型，這時(shí)候在工程確認(rèn)的時(shí)候如果大家想換成好的銅箔不就是一句話就能夠搞掂了嗎！
