通常，為了提高線路板材料強(qiáng)度，最常用方法是將玻璃纖維/布添加到印刷電路板（PCB）介質(zhì)層中。即使是最薄的PCB，一旦加入玻璃纖維它的強(qiáng)度就能得到改善。但為此會(huì)付出的代價(jià)是什么呢？性能上有哪些權(quán)衡呢？玻璃有其自身的材料特性，當(dāng)與組成高頻線路板材料的介質(zhì)以及表面銅箔材料相結(jié)合時(shí)，它對(duì)電路的電氣性能有什么影響呢？這篇博客將試圖“洞察”玻璃纖維對(duì)高頻線路板的影響，特別是對(duì)毫米波電路的影響。因?yàn)楹撩撞娐吩谛屡d的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)（77GHz）和第五代（5G）蜂窩無線通信系統(tǒng)中變得越來越重要。

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(qiáng)度和耐用性都將大大提升。當(dāng)線路板需要較高的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，可以將一層或多層玻璃布混合到電介質(zhì)基板中，同時(shí)用陶瓷材料作為填充物混合在一起來實(shí)現(xiàn)高機(jī)械強(qiáng)度。羅杰斯公司的RO4830層壓板就是采用這種方案。但是，玻璃纖維通常是編織結(jié)構(gòu)，它具有比介電材料（和陶瓷填料）更高的介電常數(shù)（Dk）。具有不同Dk值的材料通常不能在整個(gè)混合過程中做到完美的均勻分布，這就導(dǎo)致線路板材料在某一小的區(qū)域內(nèi)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的變化可能不那么重要，但在波長(zhǎng)較小的毫米波頻率下就會(huì)產(chǎn)生較大影響。

玻璃纖維對(duì)線路板材料的電路性能的這種影響被稱為玻璃效應(yīng)（GWE）或纖維效應(yīng)（FWE）。玻璃纖維是PCB材料中用于強(qiáng)化的部分，確實(shí)有助于制造極薄且耐用的線路板材料。較薄的材料對(duì)于具有緊湊封裝要求的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且它們非常適用于較高頻率，小波長(zhǎng)的電路應(yīng)用，例如28GHz或更高頻率的毫米波電路。

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(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)一致的性能。玻璃纖維不僅是毫米波應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)，也會(huì)影響高速數(shù)字電路，影響相鄰信號(hào)之間的傳輸延遲和扭曲，以及時(shí)序差異（導(dǎo)致誤碼率增加）。本博客就將重點(diǎn)介紹玻璃纖維效應(yīng)GWE是如何影響77 GHz和其它毫米波電路。

辨識(shí)變化

在毫米波頻率下，即使線路板材料Dk的微小變化也會(huì)導(dǎo)致電氣性能發(fā)生變化，例如產(chǎn)生信號(hào)延遲和傳輸線相位的差異。對(duì)于較薄的電路，雖然玻璃纖維增加了強(qiáng)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，混合后可得到總體的Dk約為3.0。用于形成高頻PCB的玻璃纖維/布通常不是完美的柵格，并且在線路板材料制造之前可能因運(yùn)輸和處理而變形。

另外，高頻PCB材料上的電路布線也可能導(dǎo)致玻璃纖維效應(yīng)對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)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(diǎn)：在線路板材料的較小區(qū)域中，有些地方會(huì)有玻璃纖維的交織疊加，但有些方卻產(chǎn)生空隙，沒有玻璃纖維。傳輸線的性能差異就是發(fā)生在這些玻璃纖維交織不同的區(qū)域。具有較多玻璃纖維的區(qū)域稱之為“指節(jié)交束區(qū)”（knuckle-bundle areas），具有較少玻璃的區(qū)域稱之為“束開口區(qū)”（bundle-open areas）。“指節(jié)交束區(qū)”的Dk值會(huì)高于玻璃纖維較少的“束開口區(qū)”。因?yàn)榫€路板材料的這種混合特性，傳輸線有可能會(huì)同時(shí)通過高玻璃纖維區(qū)域、無玻璃區(qū)域、或者以“鋸齒形”同時(shí)通過兩個(gè)區(qū)域，這將導(dǎo)致同一傳輸線經(jīng)過的地方Dk不同會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的性能差異。

由于玻璃纖維效應(yīng)隨著頻率升高或更高數(shù)字速度下的影響越來越大，線路板材料的研發(fā)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于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，這里的 “平衡”編織是指玻璃纖維的X軸上的玻璃經(jīng)紗與Y軸的緯紗粗細(xì)密度比。玻璃纖維紗集束和之間的開口區(qū)域可能具有不同的幾何結(jié)構(gòu)，但玻璃纖維紗的粗細(xì)密度決定了其是否平衡。1078玻璃布具有扁平開纖編織結(jié)構(gòu)而均勻分布在材料中，無纖維開口區(qū)域；而106和1080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(duì)不同玻璃布類型線路板材料進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，傳輸線電路位于不同的玻璃纖維“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”，其性能會(huì)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(shè)計(jì)電路進(jìn)行測(cè)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(jīng)由“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”的電路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量。測(cè)量參數(shù)包括每個(gè)電路的群延遲、傳播延遲和相位角響應(yīng)以及帶來的性能差異，以深入了解不同玻璃纖維和不同的玻璃編織結(jié)構(gòu)如何在電路中產(chǎn)生不同Dk值。

本實(shí)驗(yàn)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(jié)合構(gòu)成。采用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(jié)交束區(qū)”對(duì)電路的方向和 “束開口區(qū)”方向之間的差異最小。測(cè)試結(jié)果顯示采用這種1078型玻璃纖維的線路板材料制成的電路在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(jié)構(gòu)，77 GHz時(shí)“指節(jié)交束區(qū)”和“束開口區(qū)”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(jié)構(gòu)，電路在77GHz的頻率下相位角平均差異則達(dá)149度。

玻璃纖維效應(yīng)帶來的這些差異，導(dǎo)致線路板材料的Dk變化是多少呢？對(duì)上述相同電路的結(jié)果表明：使用1078型玻璃布的材料的電路，“指節(jié)交束區(qū)”電路與“束開口區(qū)”的電路之間的差異對(duì)應(yīng)Dk約為0.02的變化。采用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(duì)應(yīng)的最大Dk差值達(dá)到0.14。

對(duì)于使用單層玻璃纖維的線路層壓板，玻璃纖維效應(yīng)比多層玻璃的層壓板更明顯，因?yàn)槎鄬硬ＡЮw維平均疊加會(huì)使玻璃的分布更均勻。對(duì)于毫米波電路，其波長(zhǎng)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(qiáng)，這種情況下的電路性能將受到玻璃纖維效應(yīng)的更大影響。帶填料的層壓板（如陶瓷）因?yàn)榫哂羞@種附加的額外材料（其Dk介于玻璃Dk和樹脂體系的Dk之間），雖然不能完全解決玻璃纖維效應(yīng)，但它會(huì)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(yīng)的影響。例如，羅杰斯公司生產(chǎn)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，羅杰斯公司的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Dk為3.00，Dk容差控制在±0.04的范圍內(nèi)，這種Dk一致性對(duì)于毫米波電路以及高速數(shù)字電路中的差分對(duì)至關(guān)重要。

去除玻璃纖維

完全避免玻璃纖維效應(yīng)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(duì)諸如使用77GHz毫米波的汽車?yán)走_(dá)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(qiáng)的線路板材料要好得多。羅杰斯公司最新發(fā)布的RO3003G2線路層壓板，也是不含有玻璃布的材料，測(cè)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(shù)，例如導(dǎo)體寬度、銅厚和基板厚度的變化，也都可能導(dǎo)致傳輸線阻抗的變化。但是如新發(fā)布的RO3003G2高頻材料完全消除了對(duì)電路阻抗或性能變化的帶來影響的玻璃纖維效應(yīng)因素，這對(duì)77 GHz及更高頻率下是至關(guān)重要的。

說明：本博客是基于原作者的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)報(bào)告 “玻璃纖維對(duì)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。

編輯：黃飛

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