板廠阻抗控制5%為什么那么難？這個因素就可能把誤差占滿了！

作者：一博科技高速先生成員 黃剛

應該有不少的粉絲們對PCB加工工藝有所了解，從PCB設計完成發(fā)到工廠把PCB板加工出來，完成貼片是一個很“漫長”的流程，中間可能需要經歷幾十道工序。大家都知道加工會存在誤差，誤差就肯定會導致我們傳輸線的阻抗發(fā)生變化。因此PCB板廠經過這么多年的發(fā)展，無數次的走過這么一套PCB加工的流程，肯定會把阻抗的加工誤差控制到一個合理的范圍，目前常規(guī)的板廠也就是控制在10%的誤差。那么不少朋友肯定就會有疑問，為什么是10%？為什么不能進一步的把常規(guī)控制能力推到8%，甚至5%呢？

從PCB加工工藝一步一步往下去看，你會發(fā)現，幾乎每一個流程都會對傳輸線阻抗控制產生誤差，因此10%這個數值是板廠綜合到各種誤差之后得出來的一個能夠實現的比較優(yōu)的數值了，那為什么很難做到8%甚至5%呢？高速先生通過仿真分析下面這個加工因素對阻抗的變化，大家或許能夠對阻抗的控制難度有一個更為知性的認識哈！

今天要說的對阻抗控制產生較大差異的因素是玻纖效應的影響。其實這個因素嚴格意義來說不屬于PCB的加工因素，因為玻纖布類型早在設計階段就可能已經選好了，當然有一些客戶在疊層設計的時候只寫上每層的厚度，但是不指定PP和core的玻纖布類型，這樣的話，板廠就會在加工階段自己根據客戶的厚度來選擇，然后開始加工。這樣的話，選擇PP和core的隨機性就更大了。

大家肯定或多或少聽過不同類型的PP，例如1080，2116，3313，7628等。但是不知道它們具體有什么區(qū)別，這里高速先生給大家稍微深入的普及下哈。下圖的PCB切片就可以看到，PCB介質（無論是core還是PP片）都是由兩部分組成的，包括了玻璃纖維布和樹脂。其中玻璃纖維布就像骨架，起增加強度和支持的作用，樹脂就像膠水，起到粘合的效果。

然后我們說的PP的類型，其實是指玻纖布的類型，樹脂都是一樣的。玻纖布其實和我們大家穿的衣服類似，纖維都是縱橫軸（又叫經緯線）編織而成的，但構成線的粗細疏密不一樣，所以布有厚薄、疏密之分。如有些防水防風布，編織非常密且薄，還有一些毛線洞洞裝，厚但是會有洞，透風，玻纖布其實是一樣的結構。

玻纖根據不同的加工方式，有普通玻纖，開纖布和平織布等，最終的效果是疏密厚薄有差異，我們看到的就是開窗的大小差異較大，如下圖所示。

然后根據單位長度有不同數量玻纖束的編織方式，就形成了窗口大小不同的玻纖布類型，下圖是高速先生在“自制”的顯微鏡下在實物板上看到的不同玻纖布的圖像：

那什么是玻纖效應呢？高速先生也花點篇幅和大家介紹下，所謂玻纖效應，并不單純只是玻纖的問題，它是和樹脂一起作用的結果。引起玻纖效應的原因并不只是玻纖是普通玻纖，開窗比較大，而是由于玻璃纖維布本身和樹脂的介電常數不同。一般來說，玻璃纖維布的介電常數是6左右，而樹脂是比較低的，一般在2-3之間。這個時候差分線處在玻纖的哪個位置就顯得很重要。

那到底走線在PP上的不同位置會對阻抗有多大差異呢？其實這個事情從仿真和測試都很難用數據去量化，因為走線在哪個位置本來就是一件隨機的事情，因此很難得到具體阻抗偏差的范圍，高速先生嘗試在cadence的3D仿真軟件中按照IPC協(xié)會對玻纖布的詳細規(guī)格建出一個3D的玻纖布模型，建的是比較差的1080PP模型，如下所示：

從模型上可以看到，1080的PP玻纖布的開窗是比較大的，我們在上面建了一對理想情況下接近100歐姆的差分線，然后我們通過掃描它在PP上的不同位置仿真得到各自的阻抗，按照走線往右移動每隔2mil的情況進行掃描，大概仿真6個case，如下所示：

然后設置好頻率范圍等參數就開始仿真3D仿真了。大家是不是很期待仿真出來的阻抗到底有沒有差異呢？別急嘛，高速先生先給大家一些心理的準備，上面說到玻纖效應對阻抗的影響主要是因為走線可能會落到空窗上，也可能會落在玻纖布上，由于兩者介電常數有差異，因此表現出來的阻抗肯定就有差異了，所以仿真出來的阻抗肯定是會有差異的！

這個仿真看起來模型好像很簡單，但是其實仿真時間是很長的，因為玻纖布的結構還是比較復雜，高速先生用了最近剛配置的高端服務器也需要掃描快2天時間才把6種case的結果仿真出來，所以讓大家等待一下下應該也不過分哈~~~

仿真結果出來了，我們把不同位置的6個case的阻抗仿真結果擺在一起，發(fā)現阻抗的偏差還是比較大的，這6個case的阻抗最高的在105歐姆，最低的是97歐姆，如果以中值101歐姆來算誤差的值，那這個1080PP上的走線的阻抗仿真誤差就已經有4%了！這里再多說兩句就是，6個case的結果并不是按照往右移動走線的順序依次排列的，移動2mil不一定就比移動4mil要高，在PP上不同位置的阻抗要根據具體走線落到更多是玻纖布還是空窗上來決定。

值得注意的另外一點是，即使還是使用1080這種PP類型，差分線的線寬和線間距的組合不同，仿真得到的阻抗肯定也不盡相同，另外掃描不同位置的阻抗，得到的最大最小阻抗誤差的數值也可能不同，可能更大，也可能更小，原因也是和上述講的是同一個哈。

最后總結一下，玻纖效應只是其中一個會影響阻抗誤差的因素，還有很多影響阻抗的因素，而且有的加工因素可能更難從仿真建模中去衡量，更具有隨機性。因此對一個產品的開發(fā)，可能更重要的不是再從加工上去摳板材從10%到8%甚至5%的阻抗加工誤差了，轉到從PCB上更優(yōu)化的設計去獲取更多的系統(tǒng)裕量會是更現實的方法，這樣才能在板材加工產生一定的阻抗加工誤差的情況下依然擁有很好的裕量，尤其是對阻抗非常敏感的高速串行信號，優(yōu)秀的PCB設計能力和精確的仿真可能能幫到大家的產品擁有更多的裕量來抵抗加工誤差！