PCB Design & Thinking

現今的電子產品幾乎都SoC(System on Chip)化，所有的功能及性能，幾乎都被IC規格定義完了，那為什麼一樣的IC及功能，不同的公司設計的產品，產品性能差那麼多，一個很大的原因就是基板設計的觀念及技術能量。

基板的設計包含了幾個重點，高頻及信號完整性(RF&SI)、電源完整性(PI)、材料(Material)，機構等…每個參數都有相互關係。

常用的基板就是PCB (Printed circuit board)板，印刷電路板的使用，對於高頻電性上會有哪些優缺點，使用上需要注意哪些地方，這裡整理幾個重要的區塊，如下圖所示。

 

1.Metal 金屬–>表面粗糙度，鍍金、鍍錫…
2.Glass Fabric玻纖布–>玻纖布如何影響高頻高速性能。
3.DK 介電常數–>要如何選擇介電常數。
4.DF 介電損耗–>我有哪些板材選擇。
5.Vias 導通孔–>對於高頻、高速線，我可以有哪些選擇?盲埋孔、背鑽?

Metal Part

 Strong coupling areas of Microstrip line

傳輸線強耦合區域。金屬材料，一般都使用銅(Copper)作為印刷電路板的材料，那銅是如何影響高頻信號的性能，下面舉一個例子。

使用微帶線(Microstrip line)如下圖所示，可以看高頻信號在傳輸時，主要電場都在金屬及介電材料之間，以馬克斯威爾的高斯定律電場使於正電荷，終於負電荷，所以電荷及電流密度最強的地方，就在介於內層的金屬表面，如下圖紅色圈選的區域。

 

Skin Effect 集膚效應

下圖是金屬(金)在不同的頻率下的集膚效應，可以看的到，當頻率越高，電流越會往表面集中，下圖可以看到5GHz的電流深度僅1um。

Conclusion

由上面兩個因數，我們得到一個小結論。
1.傳輸線在傳輸高頻訊號時，由於高斯定律，電場主要集中於內層，導致電流強耦合區域也在金屬的內側。
2.由於高頻有集膚效應，所以越高的頻率，電流會越集中於金屬表面。
3.所以如果PCB的金屬表面粗糙度越高，傳輸損號越高。
Ref. [0] Surface Roughness 8.2, 8.4的章節 by 網站星空

RTF (reverse treated electrodeposited copper foil) 反轉銅箔

由於高頻傳輸，電流會集中於表面，且電流及電荷存在於PCB的內層的金屬表面，不過一般的印刷電路板的製程，通常內層的金屬表面粗糙度都是最高的，所以就有廠商發展出新的製程，可以降低內層的金屬表面的粗糙度，一般稱為反轉銅箔。
反轉銅箔就是利用一些特殊的製程，將粗糙的銅面，反轉一次，使得較光滑的金屬面朝向內層。

Clarify-Immersion Gold could increased RF performance

這裡釐清一件事，常常會有人認為表面鍍金，可以增加高頻的特性，其實仔細去想，金雖然導電率好，但我們做的表面鍍金是鍍在PCB銅的金屬外測，在高頻傳輸的時後，電流及電荷都不會停留在鍍金的位置。

所以鍍/化金能增強的只有減少直流電阻、降低接觸阻抗、防止銅氧化、增強SMT性能。

 

下圖說明一樣的爐溫，鍍/化金與裸銅對融錫均勻性，可以看的出來鍍/化金可以有較好的融錫均勻性，可以增加SMT的良率。

以上可以參考工作狂人網站的何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金？

Ref. [2] 何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金？by 工作狂人網站

及整理幾種常見PCB表面處理的優缺點，連結如下所示。

Ref. [3] 整理幾種常見PCB表面處理的優缺點 by 工作狂人網站

Glass Fabric Part

PCB的介電材料主要有兩種，一是玻纖布，另一個為膠，玻纖布主要功用是去增強PCB的機構強度，增加厚度，再用膠去黏合玻纖布及金屬與各層之間。

早期的電路比較沒有高頻的線路，所以使用密度較低的玻纖布不會有太多問題，但隨著現在的應用越來越高頻，I/O越還越高速，低密度的玻纖布的使用上的問題，也越來越大。

以電性的角度來看，玻纖布屬於高介電常數(DK)，膠屬於低介電常數，下圖我們使用一條傳輸線使用時域反射儀(TDR)去看它的阻抗變化，走到玻纖布的時後，由於玻纖布是高DK，所以特性阻抗變低，其走到沒有玻纖布的區也就是膠的區域，膠屬於低DK，所以特性阻抗就變高了。(如下圖所示)

Ref. [4] World Class Printed Circuit Board & Flexible Circuit Manufacturer By Multek

為了避免玻纖布與膠之間產生的阻抗變化，有哪些玻纖布可以選擇，如下圖所示，常用的型號一般為106、1080、2113、2116、1652、7268。

(NOTE:之前我有使用過FR4 5mil的2116HR型號的玻纖布型號及厚度，特性還可以，可參考。)

Ref.[5]PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing,January 2011 by Altera Corporation

如果在講究一些，可以在去選延展(Spread)系列，它是利用延展玻纖布，減少玻纖布編織所造成的window區，使的玻纖布的編織不連續區減少，也可以減少傳輸線的特性阻抗變動，進而提升高頻特性。

下圖為不同系列的玻纖布示意圖，及ISOLA公司的玻纖布系列支援表。

除了挑選玻纖布的行號外，還要注意，有些板材的厚度只能搭配某些型號的玻纖布，下表為 的板材，在不同厚度的下所可以搭配的玻纖布型號及含膠率，及介電常數。(這方面的資料，需要跟板材廠取得)

Ref.[6] Controlled Impedance and Low Loss Material Discussion by Multek

Conclusion

有關玻纖布對高頻的影響做以下簡單的結論。
1.玻璃纖維屬於高介電常數，其膠為低介電常數。
2.要選擇玻纖編織密度較高的型號，也可以選延展(Spread)系列。
3.不同厚度有不同的玻纖布型號去壓合，需注意含膠率及介電常數的變化。

NOTE-1:如果由於價格或者其他因素，不得以一定要選用低密度的玻纖布去製作印刷電路板，我們還有哪些選擇可以避免特性阻抗變化及對線間的SKEW。

可以利用下圖的方式走閃電型走線，可以平均掉玻纖布及膠之間所產生的阻抗差及時間差。印像中Allegro 16版之後，有內建這種走線規則zig-zag routing。

Ref.[5] PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing,January 2011 by Altera Corporation

 

NOTE-2:網站星空的筆者也有寫到玻纖布對於傳輸線的效應PCB glass-fiber laminate weave effect，內容有利用模擬的方式，去模擬對線間SKEW的影響，內容非常精彩。如下方連結

Ref.[7] PCB glass-fiber laminate weave effect by 網站星空

Dielectric Constant Part

之前的在How to choose transmission line type & dielectric coefficient (DK value) of PCB material? 的章結，有實驗到一個結論，也就是介電常數越低，越有利於高頻傳輸。

因為高頻傳輸線可以等效為低通濾波器，其介電常數越高，代表此低通濾波器的電容量越大，造成高頻衰減變高，其波速也會變慢。(NOTE: 另一種看法為利用集膚效應極強耦合區域去解釋，其實原理大同小異，只是利用不同的看法去切入，可以參考網站星空的Differential pair with different space章節，如下方連接。)

Ref. [8] Differential pair with different space by 網站星空

另外一般的介電材料，越高頻，其介電常數會越低，如下圖所示。

Ref. [9] Er of FR4 with frequency by polar 

最後需要注意的是含膠率會影響介電常數，含膠率越高其介電常數越低，就如上面Glass Fabric章節所以提到的，玻纖布屬於高介電常數，膠屬於低介電常數，其含膠量越高，代表玻纖布的成分越少，所以介電常數越低。下圖為FR408含膠率及介電常數的比較表。

Ref. [10] FR408HR DK vs Resin % by ISOLA

Loss Tangent Part

介電損耗，我們會選越低越好，當高頻線或高速線走越長，介電損耗所產生的損耗就會越明顯，下圖是不同板材的介電損耗，越靠近金字塔頂端的板材，介電損耗越少。

(NOTE:其實個人不會太在乎這個參數，除非是走10GHz以上的信號，不然個人認為，阻抗的不匹配所造成的損耗，會遠大於板材裡的介電損耗)

Ref. [11] Controlled Impedance and Low Loss Material Discussion by Multek

如下圖所示，含膠率也會影響介電損耗，當含膠率越高，介電損耗越高，下圖為FR408含膠率及介電損耗的比較表。

Ref. [12] FR408HR DF vs Resin % by ISOLA

Vias Part

貫孔，下面整理一些高密度(HDI) PCB所會用到的不同鑽孔技術，這樣的技術主要是應用在高密度的走線，或者信號完整度的問題，所延生出來的技術。
1.導通孔(PTH)，直接貫穿頂層到底層的導通孔。
2.盲孔(Blind Via Hole)，可以導通到頂/底層的鑽孔
3.埋孔(Buried Via Hole)，埋在內層且連接內層間的導通孔。
4.背鑽(Backdrilling)，利用二次鑽孔技術，將不要的導通層去除。

下表整理不同的鑽孔技術，其一般鑽孔孔徑、空間利用率、製程難度、成本等比較。

NOTE: 工作狂人對於通孔、盲孔、埋孔，有一些介紹，如下連結。
Ref. [13] PCB名詞解釋：通孔、盲孔、埋孔by工作狂人

Stackup

PCB疊構是整體設計最重要的部分，其內容需要記錄使用的板材、金屬、厚度、鑽孔形式、傳輸線形式(線寬距)等參數，這些參數可以給板廠及Layout house去製作PCB及Layout，可以參考下圖疊構紀錄表。

Ref. [14] PCB Stackup by Mentor Graphics

最後在介電材料的選擇上，一般頂/底層的介電材料皆為PP(Prepreg)，但由於各家的板廠製程能力不同，常常會將PP壓不好，導致厚度及含膠量不均勻，導致高頻的特性組抗跑掉。

我們可以選擇頂/底層的介電材料皆為CORE，這樣厚度及含膠量不均勻的問題就能受到控制。(NOTE:使用反轉銅箔的壓合，也是採用這種疊構)

 

參考文獻

Ref. [0] Surface Roughness 8.2, 8.4的章節 by 網站星空
Ref. [1] Laminate & Prepreg Manufacturing By isola
Ref. [2] 何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金？by 工作狂人網站
Ref. [3] 整理幾種常見PCB表面處理的優缺點 by 工作狂人網站
Ref. [4] World Class Printed Circuit Board & Flexible Circuit Manufacturer By Multek
Ref. [5] PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing,January 2011 by Altera Corporation
Ref. [6] Controlled Impedance and Low Loss Material Discussion by Mult
Ref. [7] PCB glass-fiber laminate weave effect by 網站星空
Ref. [8] Differential pair with different space by 網站星空
Ref. [9] Er of FR4 with frequency by polar
Ref. [10] FR408HR DK vs Resin % by ISOLA
Ref. [11] Controlled Impedance and Low Loss Material Discussion by Multek
Ref. [12] FR408HR DF vs Resin % by ISOLA
Ref. [13] PCB名詞解釋：通孔、盲孔、埋孔by工作狂人
Ref. [14] PCB Stackup by Mentor Graphics