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PCB資訊

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淺析毫米波頻率下PCB線路板材料的玻璃纖維效應
2022-09-15
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    通常,為了提高線路板材料強度,最常用方法是將玻璃纖維/布添加到印刷電路板(PCB介質層中。即使是最薄的PCB,一旦加入玻璃纖維它的強度就能得到改善。但為此會付出的代價是什麼呢?性能上有哪些權衡呢?玻璃有其自身的材料特性,當與組成高頻線路板材料的介質以及表面銅箔材料相結合時,它對電路的電氣性能有什麼影響呢?這篇博客將試圖洞察玻璃纖維對高頻線路板的影響,特別是對毫米波電路板的影響。因為毫米波電路板在新興的汽車雷達系統(77GHz)和第五代(5G)蜂窩無線通訊系統中變得越來越重要。

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    將玻璃纖維與各種形成線路板材料的樹脂混合編織,這樣形成的印刷線路板強度和耐用性都將大大提升。當線路板需要較高的機械強度時,可以將一層或多層玻璃布混合到電介質基板中,同時用陶瓷材料作為填充物混合在一起來實現高機械強度。羅傑斯公司的RO4830™層壓板就是採用這種方案。但是,玻璃纖維通常是編織結構,它具有比介電材料(和陶瓷填料)更高的介電常數(Dk)。具有不同Dk值的材料通常不能在整個混合過程中做到完美的均勻分佈,這就導致線路板材料在某一小的區域內具有大小不同的,間隔性的Dk 變化。在RF和微波頻率下,這種Dk的變化可能不那麼重要,但在波長較小的毫米波頻率下就會產生較大影響。

    玻璃纖維對線路板材料的電路性能的這種影響被稱為玻璃效應(GWE)或纖維效應(FWE)。 玻璃纖維是PCB材料中用於強化的部分,確實有助於製造極薄且耐用的線路板材料。 較薄的材料對於具有緊湊封裝要求的應用具有明顯的優勢,並且它們非常適用於較高頻率,小波長的電路應用,例如28GHz或更高頻率的毫米波電路板。

    理想情況下,印刷線路板材料是將包括玻璃纖維和銅箔等結合起來,以實現一致的性能。玻璃纖維不僅是毫米波應用的關注點,也會影響高速數位電路,影響相鄰信號之間的傳輸延遲和扭曲,以及時序差異(導致誤碼率增加)。本博客就將重點介紹玻璃纖維效應GWE是如何影響77 GHz和其它毫米波電路。

辨識變化

    在毫米波頻率下,即使線路板材料Dk的微小變化也會導致電氣性能發生變化,例如產生信號延遲和傳輸線相位的差異。對於較薄的電路,雖然玻璃纖維增加了強度,但是它也增加了比周圍介電材料高得多的Dk。玻璃纖維Dk約為6.0,而介電材料的Dk約為2.1-2.6,混合後可得到總體的Dk約為3.0。用於形成高頻PCB的玻璃纖維/布通常不是完美的柵格,並且在線路板材料製造之前可能因運輸和處理而變形。

    另外,高頻PCB材料上的電路佈線也可能導致玻璃纖維效應對整個電路產生多或是少的性能影響。玻璃布是通過玻璃纖維編織而成,其圖案具有以下特點:在線路板材料的較小區域中,有些地方會有玻璃纖維的交織疊加,但有些方卻產生空隙,沒有玻璃纖維。傳輸線的性能差異就是發生在這些玻璃纖維交織不同的區域。具有較多玻璃纖維的區域稱之為指節交束區(knuckle-bundle areas),具有較少玻璃的區域稱之為束開口區(bundle-open areas)。指節交束區的Dk值會高於玻璃纖維較少的束開口區。因為線路板材料的這種混合特性,傳輸線有可能會同時通過高玻璃纖維區域、無玻璃區域、或者以鋸齒形同時通過兩個區域,這將導致同一傳輸線經過的地方Dk不同會發生相當大的性能差異。

    由於玻璃纖維效應隨著頻率升高或更高數位速度下的影響越來越大,線路板材料的研發人員試圖通過不同類型的玻璃纖維和圖案將這些影響最小化。下面幾種不同的玻璃纖維類型常用於毫米波電路的線路板材料,分別是:106型開口平衡編織玻璃布、1080型開口不平衡編織玻璃布和1078型扁平開纖平衡編織玻璃布。三種玻璃纖維都是比較薄的,這裡的平衡編織是指玻璃纖維的X軸上的玻璃經紗與Y軸的緯紗粗細密度比。玻璃纖維紗集束和之間的開口區域可能具有不同的幾何結構,但玻璃纖維紗的粗細密度決定了其是否平衡。1078玻璃布具有扁平開纖編織結構而均勻分佈在材料中,無纖維開口區域;而1061080玻璃布的材料則不同,在玻璃纖維相互編織之間存在開口。

77 GHz的差異

    對不同玻璃布類型線路板材料進行的研究發現,傳輸線電路位於不同的玻璃纖維指節交束區和束開口區,其性能會存在顯著差異。從上述三種典型的玻璃布類型的線路板材料中,設計電路進行測量。材料使用壓延銅最小化銅箔粗糙度帶來的影響,選取分別經由指節交束區和束開口區的電路進行網路分析儀的測量。測量參數包括每個電路的群延遲、傳播延遲和相位角回應以及帶來的性能差異,以深入瞭解不同玻璃纖維和不同的玻璃編織結構如何在電路中產生不同Dk值。

    本實驗使用了4mil厚度的聚四氟乙烯(PTFE)材料、無填料、壓延銅,以及使用上述三種不同玻璃布相結合構成。採用1078型玻璃纖維的線路板材料,具有扁平、平衡的配置,使得指節交束區對電路的方向和束開口區方向之間的差異最小。測試結果顯示採用這種1078型玻璃纖維的線路板材料製成的電路在77GHz頻率下的相位差僅為20度。

    其它兩種玻璃纖維的性能相比如何呢?完全相同的4mil厚的PTFE無填料壓延銅的層壓板材料,在使用的106型玻璃纖維具有開口編織、平衡結構,77 GHz時指節交束區和束開口區方向的相位角的平均差異為100度。而在相同的電路材料中使用的1080型玻璃布,其具有開口編織、不平衡結構,電路在77GHz的頻率下相位角平均差異則達149度。

    玻璃纖維效應帶來的這些差異,導致線路板材料的Dk變化是多少呢?對上述相同電路的結果表明:使用1078型玻璃布的材料的電路,指節交束區電路與束開口區的電路之間的差異對應Dk約為0.02的變化。採用106型玻璃布的材料,Dk的差異較大,為0.09。而使用1080型玻璃布材料的電路對應的最大Dk差值達到0.14

    對於使用單層玻璃纖維的線路層壓板,玻璃纖維效應比多層玻璃的層壓板更明顯,因為多層玻璃纖維平均疊加會使玻璃的分佈更均勻。對於毫米波電路,其波長很小,且通常的電路很薄,材料也通常只使用一層玻璃纖維增強,這種情況下的電路性能將受到玻璃纖維效應的更大影響。帶填料的層壓板(如陶瓷)因為具有這種附加的額外材料(其Dk介於玻璃Dk和樹脂體系的Dk之間),雖然不能完全解決玻璃纖維效應,但它會在一定程度上使線路板材料上Dk的更加均勻,以減少高頻下玻璃纖維效應的影響。例如,羅傑斯公司生產的RO4830層壓板就是該類型的電路材料,具有1078扁平開纖玻璃布和陶瓷填料。

    此外,羅傑斯公司的RO3003層壓板,不含有玻璃布,是毫米波電路常用的線路板材料選擇之一。 這是一種陶瓷填充的PCB材料,其Dk3.00Dk容差控制在0.04的範圍內,這種Dk一致性對於毫米波電路以及高速數位電路中的差分對至關重要。

去除玻璃纖維

    完全避免玻璃纖維效應的一種方法是使用沒有玻璃纖維/布的線路板材料。特別是對諸如使用77GHz毫米波的汽車雷達電路,使用沒有玻璃纖維的高頻線路板材料比含用玻璃纖維增強的線路板材料要好得多。羅傑斯公司最新發佈的RO3003G2線路層壓板,也是不含有玻璃布的材料,測試表明,在毫米波頻率的不同線路板之間都具有非常一致性能,比如一致的微帶傳輸線阻抗。

    提到阻抗變化,其它材料或電路的參數,例如導體寬度、銅厚和基板厚度的變化,也都可能導致傳輸線阻抗的變化。但是如新發佈的RO3003G2高頻材料完全消除了對電路阻抗或性能變化的帶來影響的玻璃纖維效應因素,這對77 GHz及更高頻率下是至關重要的。

    說明:本博客是基於原作者的網路研討會報告玻璃纖維對毫米波PCB性能的影響概述(An Overview of Glass Weave Impact on Millimeter-Wave PCB Performance)整理而來。