摘要：PCB信号传输的高频和高速化发展对印制电路板材料的选择、设计及制作提出了更高的要求，尤其是100G骨干网的发展，印制电路板上差分阻抗线要实现25Gbps的传输速率。当系统总线上的信号速率提升到Gbps级别时，之前电子工业界认为的PCB介质层是均匀的假设不再适用，PCB介质层是由嵌在环氧树脂中的玻纤束交织混合而成，玻璃纤维束之间的间隙会导致介质层相对介电常数的局部变化（玻纤效应），在高速传输时会对信号产生不可忽视的影响。本文分析探讨了不同规格玻纤布的玻纤效应对传输线阻抗波动的影响及其对差分信号Skew值的影响程度，对比了扁平玻纤布及NE-Glass玻纤布对阻抗波动及差分Skew的改善效果，并分析了不同布线方式对Skew值的改善，提出了减少差分Skew的处理方法，可为高速信号传输的选材及设计优化提供依据。

关键词：玻纤效应 ；高速信号；阻抗波动；差分Skew

01/前言

无线通讯、电子信息产品的不断升级换代及信号传输的高速化、高频化发展，对PCB阻抗控制和信号完整性提出了更高的要求。目前，骨干网传输速率已经高达100Gbps，相应的PCB单通道传输速率高达10Gbps或25Gbps，且信号传输速率还在不断的朝着高速化方向发展。对于PCB板上传输的数字信号来说，电子工业界应用的包括FR4在内的许多电介质材料，在低速低频传输时一直被认为是均匀的。但当系统总线上电子信号速率达到Gbps级别时，这种均匀性假设不再成立，此时交织在环氧树脂基材中的玻璃纤维束之间的间隙引起的介质层相对介电常数的局部变化将不可忽视，介电常数的局部扰动将使线路的时延和特征阻抗与空间相关，从而影响高速信号的传输[1-3]。目前，国内外PCB厂家对玻纤效应影响信号质量研究很少关注，对于玻纤布结构对信号的影响研究也只停留在理论分析阶段。基于FR4测试基板的测试数据表明，由于微带线与玻纤束相对位置差异，导致测量所得的传输线有效介电常数波动较大，最大、最小值之差最大可以达到△εr=0.4。尽管这些空间扰动看上去较小，它会严重影响数据速度为5-10Gbps的差分传输线[4]。

本文先对目前电子玻纤及其带来的玻纤效应进行简介，并通过设计实验，分析探讨了不同规格玻纤布的玻纤效应对传输线阻抗波动的影响及其对差分信号Skew值的影响程度，对比了扁平玻纤布及NE-Glass玻纤布相对于常规玻纤布对传输线阻抗波动及差分Skew的改善效果，并分析了不同布线方式对Skew值的改善，提出了减少差分Skew的处理方法，可为高速信号传输的选材及设计优化提供依据。

1.1 电子玻纤简介

印制电路板的基础材料是覆铜板，目前最常用的FR4覆铜板是以电子玻纤布为增强材料，浸以环氧树脂，单面或双面覆以一定厚度的铜箔，经热压处理而成的板状材料。玻纤布是基板材料的骨架，它可以提高基板材料的强度，同时维持其结构稳定性。目前，覆铜板中应用的电子玻纤布主要有E-玻纤布（Electrical Glass, E-glass）、扁平E-玻纤布（Miracle Super Glass, MS-glass）和NE-玻纤布（NE-glass）三种。

常规的E-glass是由玻纤纱织布而成的，即采用经纱（warp）和纬纱（waft）织成“网状”布，这种类型的玻纤布存在高密度玻璃纤维区、低密度玻璃纤维区和无玻纤区（如图1所示）。由图1可以看出，经纬纱交接点为高密度玻纤区，单根纱（经纱或纬纱）区域为低密度玻纤区，经纬纱之间的空隙即为无玻纤区。由于E-glass具有良好的电气绝缘性和机械性能，且价格较为低廉，目前在基板材料中应用最多。
随着电子技术的快速进步和产品的不断更新，玻纤增强技术遇到了严峻的挑战，例如：加工制作过程激光微孔品质不好、耐受阳极性纤维漏电性能差。近年来，很多电子产品的工作主频率达到GHz以上，由于增强玻纤束间存在间隙，介质均一性差，导致信号在传输过程中发生扭曲变形。针对这些问题，催生了电子玻纤布的开纤技术（开纤玻纤布形貌如图2所示）。开纤技术主要是指在生产过程中，对电子玻纤布进行扁平化处理，提高其表面积。玻纤经过开纤或扁平化处理后，使原来常规的E-玻纤布的经纱和纬纱的玻璃纤维束散开并更均匀地分散，由此得到的玻纤布即为开纤E-玻纤布和扁平E-玻纤布（如图3所示）。经过开纤或扁平化处理后，玻纤的表面积增大，其与树脂的接触面积增大，有助于提升玻纤与树脂的浸透速度，增强结合力。同时，玻纤布经过开纤或扁平化处理后，经、纬纱之间的空隙变窄、单股纱的宽度增加，且交接点更加平滑[5, 6]。相对于开纤E-玻纤布来说，扁平E-玻纤布经纬纱之间的间隙更小，玻纤更加平整，因此扁平E-玻纤布具有更均匀的玻璃纤维分布。

NE-玻纤布是日本日东纺织株式会社（Nitto Boseki Co., Ltd）为印制电路板研发的低介电常数和低介质损耗角正切的玻璃纤维，与E-玻纤布相比，NE-玻纤布具有更低的介电常数和介质损耗（如表1所示）、更低的热膨胀系数、优异的尺寸稳定性和较高的硬度，其介电常数可达到4.4（1MHz条件下）。同时，与E-玻纤布相比，NE-玻纤布也具有更加均匀的玻璃纤维分布。因此，NE-玻纤布常用于制作高性能信号传输产品。表1 E-glass与NE-glass性能参数[3]

1.2 玻纤效应
PCB的介质层由嵌在环氧树脂中的玻纤布交织混合组成的，其结构如图4所示，由于玻纤布的相对介电常数与环氧树脂存在较大差异（一般环氧树脂的介电常数在3左右，玻纤布的介电常数在6左右），因此该介质层的介电常数取决于玻璃纤维与树脂的介电常数及其在介质层中所占的体积比，其计算公式如式1所示。

εr=εresinVresin+εglassVglass=εresinVresin+εglass*(1-Vresin) （式1）

其中，εresin和εglass分别为环氧树脂和玻璃纤维的介电常数，Vresin和Vglass分别为环氧树脂和玻璃纤维的体积比。

对于PCB介质层来说，其介电常数差异主要取决于使用的玻纤布类别。在信号传输以低频为主的时代，人们一直认为PCB介质层是均匀的，玻纤布对PCB电气性能的影响极小。但当PCB传输的信号频率高达数GHz时，介质层局部特性的扰动使均匀电介质假设不再可行。表2指出了常见玻纤布经纬纱线的宽度及其间隙大小，以3313玻纤为例，其经纬向玻纤束之间的间距是3.1×5.3mil。从表2数据不难看出玻纤束的尺寸要比线路板上传输线宽度要大（目前多数传输线宽度在10mil以下），由于目前多数布线策略是将系统总线中的传输线与基板边缘成0o或者90o角方向布线，这样会导致传输线方向与玻纤束的经纬向相平行，此时可能会出现以下几种极限情况（如图5所示）：①传输线在经向玻纤束正上方；②传输线在纬向玻纤束正上方；③传输线在两根经向玻纤束中间；④传输线在两根纬向玻纤束中间。表2 常见玻纤布参数

注：50ohm阻抗为单端微带线，且微带线下方只有单张PP。

由于玻纤束的介电常数与环氧树脂相差较大，因此板面不同位置处介质层的介电常数存在一定的差异（如图6和图7所示），从而会导致板面不同位置阻抗产生差异，增加阻抗精度控制的不确定性[4]。同时，同一阻抗线，由于不同位置介电常数不均匀，使TDR曲线出现较大波动，影响信号传输质量。

由于玻璃纤维束之间存在明显的间隙，在PCB设计、制作时，信号线的介电常数具有不确定性。对于差分信号线来说，可能存在的一种情况是：差分信号线线路（D+）布在玻璃纤维束上，而线路（D-）布在玻璃纤维束的间隙上（如图8所示），这样会导致线路（D+）相比于线路（D-）来说有着较高的有效介电常数和较低的阻抗（Z0）[2,7]。因此，当同一对差分信号传输在不同介质上（玻纤束的Er约为6，树脂材料的Er约为3），两根差分信号线的介电常数不一致，由于信号传输速度与介质层介电常数的平方根成反比，会使两根差分信号线产生不同的信号延迟，导致差分信号偏斜失真（如图9所示）。有资料表明，玻纤效应导致的差分偏斜失真可达3ps/inch~10ps/inch。另外，高速率数据传输时，偏斜失真（Skew）会导致共模式电压增加和相应的差分信号降低，且产生的交流共模（ACCM）效应成为系统里串扰（Crosstalk）和EMI的来源。

02/试验方法

2.1 主要材料与仪器

材料：各种规格芯板及半固化片（106、1035、1080、2116和3313）。

仪器：矢量网络分析仪（VNA）、金相显微镜。

2.2 试验方法

（1）玻纤效应对阻抗波动的影响及其改善

通过切片测试不同规格PP（1035、1078、1080、2116、3313）经、纬向玻纤束的玻纤宽度、间距，从而为实验图形设计提供依据。试验时设计多组单端微带线，微带线间距设计为玻纤束宽度基础上加0.4mil，从而获得跨在玻纤束不同位置的单端阻抗线（如图10所示），然后测试单端微带线的阻抗，计算不同位置介电常数，并比较其差异。

试板流程设计：开料→内层干膜→内层蚀刻→AOI→棕化→层压→钻孔→去毛刺→沉铜→板镀→负片电镀→负片干膜→负片蚀刻→AOI→阻焊→沉金→铣板→……

（2）玻纤效应对差分Skew的影响及其改善
玻纤布经过开纤处理后，表面相对平整，经、纬纱之间的空隙更小，使PCB中玻纤与树脂相对均匀，当传输线处于玻纤束不同位置时，其阻抗和损耗应差异较小。试验设计多组差分微带线，采用不同规格的玻纤布（E-Glass、扁平开纤布及NE-Glass），确定玻纤布规格对差分Skew值的影响，并通过图形旋转、采用扁平玻纤布、NE-Glass玻纤改善差分Skew的效果。

试板流程设计：开料→内层干膜→内层蚀刻→AOI→棕化→层压→钻孔→去毛刺→沉铜→板镀→负片电镀→负片干膜→负片蚀刻→AOI→阻焊→沉金→铣板→……

03/结果与讨论

3.1 不同规格PP的玻纤效应对阻抗波动的影响

由于玻璃纤维束之间有着明显的间隙，信号线所处介质层的有效介电常数是存在一定的波动的（如图11所示）。为了获得不同规格PP的有效介电常数的可变性及其对阻抗的影响，本文通过采用不同规格PP，研究当传输线跨在玻纤束上和置于玻纤束间隙上时，介质层的有效介电常数及传输线阻抗差异。

图12是采用某厂家1080、3313和2116 PP（高Tg板材）平行于玻纤布经纬向布线时介质层的介电常数波动曲线，由图可以看出，1080、3313和2116三种规格的PP布线时有效介电常数均出现周期性波动，其波动幅度高达0.6，测试表明由此带来的阻抗波动可高达4ohm，且不同规格玻纤有效介电常数波动幅度存在一定的差异。同时，相同规格的玻纤布，其纬向走线阻抗波动幅度要小于经向走线。

3.2 扁平玻纤布及NE-glass材料对阻抗波动的改善
由于玻纤布之间间隙的存在以及经纬向玻纤之间的叠合，会导致板面不同位置处阻抗产生差异，增加阻抗精度控制的不确定性。同时，同一条阻抗线，由于不同位置处介质层的有效介电常数是不一致的，因此TDR曲线会出现波动，从而影响高速信号的传输质量。为了减弱玻纤效应带来传输线阻抗波动，提高信号传输质量，目前常用的方法是采用扁平E-玻纤布或性能更好的NE-玻纤布。

图13是1080和1078半固化片经纬向走线的介电常数波动曲线，由图可以看出，与1080玻纤相比，采用1078扁平玻纤布片后，介质层的介电常数波动显著降低，其经向走线Dk波动幅度由0.58降低为0.25（见表3）。从1080和1078半固化片走线阻抗波动曲线也可以看出（如图14所示），采用1078半固化片后，传输线的阻抗波动明显减弱，经纬向走线由于玻纤效应带来的阻抗波动可低至1.5ohm。

图15分别为采用2116型半固化片（E-玻纤布和NE-玻纤布）在经向走线时阻抗波动情况，由图可以看出，E-玻纤布经向走线阻抗波动幅度为3.17ohm，而采用NE-玻纤布经向走线阻抗波动幅度为1.42ohm。与E-玻纤布相比，NE-玻纤布具有更低的Dk值，且玻纤布经过开纤处理，玻纤之间的间隙减小，因此采用NE-玻纤布也能有效地降低阻抗波动幅度。

3.3 玻纤效应对差分Skew的影响

由于信号传输速度与介质层介电常数的平方根成反比，同一对差分信号传输在不均匀介质上时，两根差分信号线间会产生不同的信号延迟，从而导致信号偏斜失真（Skew）。对于差分传输线来说，微带线和带状线的传输延迟可分别通过式2和式3进行计算，因而差分线的偏斜失真（Skew）可通过式4计算而得。

微带线：

（式2）

带状线：

（式3）

式中，tpd表示传输延时，单位为ps/inch；εr表示板材介电常数。

（式4）

由于介质层中经纬向玻纤之间存在重叠和空隙区域（如图16所示），导致差分传输线的延迟不一致。图17是采用VNA测量1035型半固化片经纬向走线时差分相位差曲线，由图可以看出，当传输线平行与经纬向玻纤布线时，会产生一定的信号延迟，对于1035玻纤来说，测量出的纬向Skew值可达0.46ps/inch，经向Skew值可达0.43ps/inch。

3.4 差分Skew的改善

对于高速信号传输来说，由于差分线具有抗干扰能力强、有效抑制电磁干扰（EMI）、时序定位准确等于优点，其应用日趋增多。因此，我们需要减轻玻纤效应对差分Skew的影响，从而减弱玻纤效应对信号完整性（Signal Integrity, SI）的影响。

在布线设计时，当差分传输线的线宽与间距之和接近或等于玻纤pitch大小时，理论上Skew值为0，因此可通过调整线宽/间距值改善Skew问题，但实际上这种做法是较难实现的，工程师需要了解各种玻纤的pitch大小（不同厂家是不一致的），且往往不能同时满足差分设计的要求。为了减轻玻纤效应对信号传输的影响，可以从以下三个方面进行改善：（1）采用玻纤排布更加密集、间隙更小的玻纤布（如扁平E-玻纤布）；（2）采用介电常数与树脂更加接近的玻纤布（NE-玻纤布）；（3）设计时进行特殊布置与布线，使传输线不平行于经纬向。

（1）采用扁平玻纤布和NE-玻纤布

与常规玻纤布相比，扁平玻纤布的玻纤束更加分散，玻纤束之间的间隙更小，介质均匀性更好，其介电常数差异要比常规玻纤布更小，因此当采用扁平玻纤布时，玻纤效应带来的差分Skew要更小。图18分别为使用扁平1078玻纤和常规1080玻纤的相位差曲线，由图可以看出，相比于1080玻纤，使用1078玻纤时两根差分线的相位差显著降低。通过测试相位差结果，计算出1078 PP时的Skew为0.65 ps/inch，而1080 PP的Skew值为1.91 ps/inch。

此外，当使用介电常数与树脂更加接近的NE-玻纤布时，亦能降低玻纤效应对差分信号的影响。图19是采用常规2116玻纤布和低介电常数2116玻纤布的差分线相位差结果，由图可以看出，相比于常规2116玻纤布，NE-玻纤布的相位差大大降低。测试结果表明，同样为2116规格PP，采用NE-玻纤布时，差分Skew值为0.34 ps/inch，采用E-玻纤布时，Skew值为1.21 ps/inch。

（2）图形旋转

为了减轻玻纤效应的影响，还可以调整布线的方向，使之不与板边缘相平行，或者进行辐射状的走线，从而避免线路平行于经纬向玻纤。通过不断调整传输线相对玻纤束的位置，将传输线走线方向与纤维交织成一定角度（如图20所示），可以使玻纤交织效应达到平均，理论上来说，将走线与板边呈45o走线可使影响降到最小。但考虑到板材利用率问题，须尽量减小旋转角度，有研究表明，将传输线走线方向旋转1-2o即可有效地减轻问题，而小到5-10o的旋转就足以缓解大部分的空间效应[2]。在进行布线设计时，旋转角度可采用式6进行计算，传输线长度为1 inch时，需要旋转的角度为2.3o，即传输线与玻纤成2.3o以上角度时即可解决差分线Skew问题。

（式5）

（其中，θ—旋转角度；L—差分线长度；H—玻纤pitch大小，要求H≥2×pitch）

图21为采用常规2116玻纤布平行走线和将图形旋转时差分相位差曲线，从结果来看，将图形旋转5-15o后玻纤效应引起的差分Skew大大降低。考虑到拼板利用率问题，在实际应用过程中，将图形选择5o即可解决大部分玻纤效应引起的差分Skew问题。

除了在设计时进行图形旋转外，还可以在制造过程中让覆铜板及PP供应商提供旋转的原始材料，或者PCB制造商在开料时旋转板材（会开料利用率降低），同样可以有效地解决差分Skew问题。

（3）S型走线

除了上述方法外，在布线设计时还可以进行特殊布置，使传输线不平行于玻纤布经纬向，如采用S型走线或Z字型走线（如图22所示）。图23是采用不同走线方式（平行走线、S型走线）和旋转图形时差分线相位差结果，由图可知：相对平行走线，S型（弧度为45o）走线可在一定程度上改善差分Skew，但相比图形旋转，S型走线改善效果相对较差。

4结论

PCB基材中所用的玻纤布带来的玻纤效应会导致板面不同位置处阻抗线及同一阻抗线阻抗波动大的问题，且介质不均会造成线路信号传输速度不一致，从而导致差分Skew产生。

（1）阻抗波动：采用不同规格PP时阻抗波动幅度存在差异，通过采用扁平玻纤布或NE-glass玻纤布对改善阻抗波动效果明显，且NE-glass效果更佳。

（2）差分Skew：差分Skew受PP规格、线宽/间距影响，线宽/间距之和越接近玻纤布Pitch尺寸，Skew越小；采用扁平玻纤布、NE-Glass玻纤布及S型走线设计可减小差分Skew，但不能从根本上解决差分Skew问题，图形旋转是最直接有效的方法。

（3）采用扁平玻纤布改善阻抗波动效益最高，如只要求解决差分Skew问题，可通过图形旋转；如需同时控制阻抗波动与差分Skew，可通过采用扁平玻纤布加图形旋转方法实现。