从PCB的材料构成谈信号完整性

刘 丰 苏新虹 胡新星 肖永龙（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

从PCB的材料构成谈信号完整性

Paper Code: S-129

刘 丰 苏新虹 胡新星 肖永龙
（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

在云计算、大数据等颠覆性技术和理念迅猛发展的背景下，PCB产业受到了前所未有的冲击。高频、高速PCB得到了广泛的应用。区别于传统更侧重PCB热可靠性能，现今更多的PCB产品更着重考虑的是PCB的SI(信号完整性)性能。提高PCB信号完整性，板材的选择是重中之重。选定了板材之后，接下来对玻布、树脂含量和铜箔的选择也是至关重要的。文章针对PCB板材的基本组成分别讨论，以相应的实验结果有力的说明了如何选择合适的玻布、树脂含量和铜箔的方法。

印制电路板材；铜箔；树脂；玻纤；信号完整性

1 背景介绍

高速数据传输技术、高速通信技术是未来信息技术的主要发展方向，这也要求PCB产品向高速化方向发展。我们已经看到，在通信领域，从过去的2G，发展到3G、4G，甚至有国外通信设备供应商提出了向未来10G发展的战略计划。数据存储和传输速率从过去的Mbps到今天的6.25Gbps、12.5Gbps、25Gbps等等。相对应的，我们看到服务器PCB从过去的无铅材料发展到中等损耗的高Tg无卤材料、低损耗的高速材料等。目前这一趋势还在继续，以我们熟知的松下材料为例，从Megtron 4到Megtron 6，再到未来更高端的Megtron 7材料，都能从侧面反映高速PCB的发展趋势。

从PCB本身出发，需综合考虑材料成本和性能。我们知道，买车时同一个型号的车可以选择手动挡或自动挡，买手机可以选择内存是16 GB还是64 GB，吃套餐时也有不同搭配可选……同样，选择PCB板材时，要达到不同的信号损耗标准，除了选择板材型号，选好合适的板材配置也可以达到这个目的，甚至能得到更优的性价比。

每一支材料推出都有标准配置和可选配置，如很多板材厂商可以为同一支材料树脂体系提供标准玻纤或低损耗玻纤、HTE或RTF或VLP铜箔以及不同玻布规格（1080、2116等）和树脂含量的半固化片（prepreg）。以铜箔为例，低粗糙度铜箔在频率越高时，其趋肤效应影响越小，信号完整性性能也会越高。

尽管选择多种多样，最终决定的还是PCB厂商自己。因此，每一种板材搭配的损耗特性是PCB厂家需要了解的。由于需要大量的数据支持，这个实验的设计、制作和测试过程不可谓不复杂，但无论如何，这是一项值得付出的工作。

理论上，当信号传输到达GHz的频率时，使用低损耗玻纤和更低粗糙度的铜箔能够提高产品信号完整性性能。在下面的内容里，将以某一种PCB常用高速材料为准，实际验证在不同的材料搭配下，PCB产品的插入损耗性能。

2 实验设计

2.1 实验计划

表1本实验设计材料表；图1本实验流程设计。

表1 实验设计材料表

图1 试验流程

按上述实验计划投板制作，过程中着重监控铜箔棕化后的粗糙度和阻抗控制，阻抗公差收严为±7%。

2.2 测试板设计

实验选择一种低损耗材料作为实验对象，实验板设计为12层、非对称结构，板厚约2.0 mm。图1所示为测试板结构设计。其中L2/L4/L6/L8/L10偶数层设计为信号层，其余各层设计为接地层。

实验中所有传输线测试模型为单端带状线结构，传输线参考相邻的上下两层。

在奇数层次设置单端信号测试传输线，线长330 mm，传输线阻抗设计为50 Ω。为提高测试精度，信号测试接触过孔的另一面做背钻处理。

整个测试板设计尺寸为长381 mm、宽254 mm。

2.3 样品制作过程监控

对过程中的棕化后铜箔粗糙度监控，得到棕化后粗糙度数据如图2，暂不对该参数标准化，仅作为数据记录的一部分。

图2 棕化后粗糙度

从棕化后铜箔粗糙度数据分析看来，棕化微蚀量对铜箔本身光面的粗糙度影响不大，基本未超过铜箔的标准粗糙度数值。

阻抗数据记录如表2。超出管控公差范围的样品直接报废处理，信号测量时不做测试和分析。下表仅给出两块板的测量结果，实际制作样品数量不止两片。

表2 阻抗数据记录

阻抗控制在测量信号完整性性能中是十分重要的，如果阻抗波动范围过大，会造成不可忽略的反射，从而对测试系统校准的精度和测试结果均造成不利影响。

3 样品测试

3.1 测试方法和设备

表3为所用的设备和测量方法。

表3 测试设备和测试项目

3.2 校准

ECAL校准，主要目的为校正测试系统。校准后可直接测量所设计的传输线总体S21、S11和TDR特性。

经过ECAL校准后，虽然可以直接得到DUT（Device Under Test，被测物体）的频域（S参数）和时域（TDR参数）特性，但此时的插入损耗（S21）为包含过孔、连接器和传输线在内的总特性。如需要得到单纯传输线的损耗特性，则需要进一步去嵌处理，目前TRL、SOLT方法或安捷伦PLTS去嵌技术都是不错的选择，本实验中采用TRL校准法。此处不做具体说明，互连网上有很多详细介绍。

3.3 样品测试结果

（1）S11测试：S11反映样品的反射特性，主要是衡量系统的信号完整性，是一个非常重要的参数。通常要求小于-10dB即可，且按各种电子产品应用的不同频率具有不同的标准，一般在PCB裸板中，这个指标都可以满足。

（2）S21测试：

①TRL校准：S21为样品的插入损耗特性，是在信号完整性研究中一个最重要的衡量指标，单位为dB，或dB 每in。插入损耗越小，系统信号完整性越优良。以INTEL的服务器新标准为例，要求SET2DIL测试环境下的PCB产品插入损耗指标需满足在4 GHz时小于0.48 dB/in的要求。

对于S21的测试，由于仅考虑传输线纯粹的损耗特性，而排除过孔、连接器、电缆接入点以及测试点反射等效应影响，这里应用了TRL校准技术。

通俗来讲，即使用TRL校准图形配合网络分析仪软件校准技术，把过孔、连接器和一部分传输线当做为测试点得延伸，即TRL图形设计中的2×THRU，首先测量出2×THRU的S21，再用所测传输线的总S21减去2× THRU的S21，剩余即为某一段纯粹的传输线S21，公式表示如下式①和式②：

经过TRL校准后的2×THRU插入损耗为0，延时（delay）也为0，为校准质量比较好的2×THRU的S21，以及延时特性，可以看到，在频域上两个参数基本都为0。

②测试结果：如图4所示为十种实验组合的S21特性，S21越小即插入损耗越小，信号完整性性能越优异。

图4 TRL校准后的S21汇总

上图中的数据单位为dB/in。从上图中可看出同样的玻布和树脂含量情况下，不同铜箔间损耗差异。

将数据重新整理后进一步分析RTF和VLP铜箔间损耗差异值，如图5所示：截取1080RC68%对应的传输线特性1 GHz到12 GHz插入损耗数据可以看出，VLP铜箔对比RTF铜箔的插入损耗改善约为0.02 dB/in。

图5 铜箔损耗特性对比

进一步截取VLP铜箔下的各个玻布和树脂含量组合得到图6，如下所示。

图6所示显示出同一种材料各中玻纤类型间的损耗差异，其中106玻布损耗最小，2116损耗最大；同时，同种玻纤不同树脂含量间略有差异，表现出胶含量高的P片损耗相对较小。

图6 玻布和树脂含量组合的S21对比

4 结论

从上述实验和测试结果，可得出以下几点结论：

VLP铜箔相对于RTF铜箔具有更好的信号完整性性能，在高速PCB中应优先选用，但要综合考量成本和可靠性性能；106玻布损耗较小，但价格较高，可优先用于具有高可靠性和高信号完整性要求的样品，批量产品应慎重使用；在保证阻抗和客户要求的前提下，适当提高叠构中的玻布含胶量具有改善PCB产品信号完整性的效果。

[1]张贤士. 信号完整性基础知识, 中兴通讯上海第一研究所,2000年,第25页.

[2]张木水,李玉山. 信号完整性分析与设计,电子工业出版社,2010年,第2,47,88页.

[3]于争. 信号完整性揭秘,机械工业出版社,2013年,第110,184页。

[4]Agilent. Agilent Time Domain Analysis Using a Network Analyzer, 安捷伦技术论文,第5,6页；

[5]Roger Stancliff和Joel Dunsmore. The Evolution of RF/Microwave Network Analyzers,安捷伦技术论文,第2,3,4、5页.

刘丰，PCB研发工程师，主要从事PCB信号完整性研究和高速材料研究和开发等工作。

Approaching SI performance from PCB material composition

LIU Feng SU Xin-hong HU Xin-xing XIAO Yong-long

As Cloud Computing and Big Data technology and theory developing rapidly, PCB industry is coming across a technical impact. High frequency and high speed PCBs have been widely used in every technical area. Not like traditional PCB featured in emphasizing thermal reliability, SI (Signal Integrity) performance is becoming the most important aspect for modern PCB products. To improve PCB SI performance, the materials selected are the first consideration. When materials are settled, the next is to choose glass style, prepreg and copper foil, which is even more important. The article approaches PCB signal integrity from the basic composition of materials, gives the evidences of choosing the right glass style, resin content and copper foil.

PCB Materials; Copper Foil; Resin; Glass Fiber; Signal Integrity

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1009-0096（2015）03-0022-05