如何减轻高速PCB设计中的玻纤编织效应

1、前言

众所周知，认识和控制差分skew的来源对信号完整性至关重要，并可以有效降低产品发生终端失效的风险。

串行链路差分skew的容差随着比特率的增加而减少。例如，1Gbps（500MHz）信号能够允许大约250ps的skew容差，这是一个很宽的窗口，也是为什么20多年前大多数工程师不需要担心玻纤编织效应的原因。但随着信号速率的增加，由玻纤编织效应（GWS）引起的随机出现的终端失效问题越来越普遍，玻纤编织效应也引起更多设计人员的关注。

那我们在什么情况下需要开始考虑玻纤编织效应呢？如果样机的信号质量符合预期，是否预示着批量生产也可以顺利进行？不同的PCB微环境可能会导致差分对内的轻微信号延迟，从而导致生产中明显的随机现场故障。这被称为“玻纤编织效应”，对于玻纤编织效应，预防比预测更重要，因为现实中预测它非常困难。本场直播我们将围绕“玻纤编织效应”展开研讨。

电巢直播预告

2023年6月29日19:30，电巢邀请到西门子EDA季伸彪老师和电巢专家杜正阔老师以《如何减轻高速PCB设计中的玻纤编织效应》为主题的直播分享。本次网络研讨会，两位专家老师与大家共同探讨玻纤编织效应产生的原因，还有大家什么时候应该开始关注玻纤编织效应以及为什么，且玻纤编织效应是如何随机的造成难以预测的终端失效问题的。

针对以上问题，本次网络研讨会将介绍11种常用的缓解玻纤编织效应的方法，更好地协助设计人员控制好产品质量，以及实现未来更具挑战的高速PCB设计。

2、要点前瞻

1、玻纤材料是如何制造的

2、PCB层压板内部的微结构

3、玻纤类型概述及其对玻纤编织效应的影响

4、谁应该关心玻纤编织效应

5、确定性缓解玻纤编织效应的方法

6、概率性缓解玻纤编织效应的方法

· Skew的定义

当差分对的两个信号在不同的时间到达接收器时，接收器可能会错误地解读正在发送的数据位。两个差分信号之间的未对准（如下图中的“skew”所示）可能导致“眼图闭合”和码间干扰(ISI)，二者均为差分信号传输中可导致系统瘫痪的通信问题。

图1. 理想情况下，收到的差分信号将如左图所示发射器端的波形一样对准。当正负信号未对准时，就会产生 “差分 SKEW”

· Skew的来源 – 玻纤编织效应

玻纤编织效应是由于差分对中一个信号周围的微环境与差分对中另一个信号不同，微环境的差异构成差分对两条走线之间的局部介电常数差异，其中一半差分信号 “看到” 的树脂很有可能比另一半差分信号更多，所以最终得到两个不同的有效 Dk，进而产生两个不同的平均传播速度，最终导致skew的发生。

图2. 相较于底层玻纤，显示为红色和蓝色的差分信号布线的半随机对准往往会导致差分对的两条信号具有不同的平均传播速度。就本图而言，正差分信号在玻纤上（速度较慢），而负信号的很大一部分布线在树脂上（速度较快：在传播速度关系中，C 为光速）

· 缓解玻纤编织效应的方法

面对玻纤编织效应，行业存在各种不同的解决方法，这些方法如果使用得当，可以确定性的或者概率性的降低玻纤编织效应Skew的发生，以及减少终端功能失效的风险，部分减少玻纤编织效应的方法，包含：

图3. 部分玻纤编织效应缓解方法

· Z-planner Enterprise

Z-planner Enterprise 是Siemens EDA提供的一款叠层设计与规划应用，集成了来自全球主流板材供应商的200多个系列的板材数据库，可以满足不同客户对高速PCB材料的需求。包括但不仅限于AGC、Isola、EMC、斗山、ITEQ、南亚、松下、生益、TUC、Rogers、Dupont和Ventec材料商等。

基于Z-planner Enterprise丰富的CCL材料库以及材料图谱功能，您可以充分考虑基于不同频率下的不同玻纤结构的Dk、Df等材料参数，可以让您快速的选择和决策合适的、能够有效减轻玻纤编织效应的高速PCB板材。

图4. Z-PLANNER ENTERPRISE材料库中的E-GLASS及相对应的低DK玻纤材料

审核编辑：汤梓红