板厂阻抗控制5%为什么那么难？这个因素就可能把误差占满了！
发布时间：2023-02-07 17:35
作者：37000Cm威尼斯高速先生成员 黄刚
应该有不少的粉丝们对PCB加工工艺有所了解，从PCB设计完成发到工厂把PCB板加工出来，完成贴片是一个很“漫长”的流程，中间可能需要经历几十道工序。大家都知道加工会存在误差，误差就肯定会导致我们传输线的阻抗发生变化。因此PCB板厂经过这么多年的发展，无数次的走过这么一套PCB加工的流程，肯定会把阻抗的加工误差控制到一个合理的范围，目前常规的板厂也就是控制在10%的误差。那么不少朋友肯定就会有疑问，为什么是10%？为什么不能进一步的把常规控制能力推到8%，甚至5%呢？
从PCB加工工艺一步一步往下去看，你会发现，几乎每一个流程都会对传输线阻抗控制产生误差，因此10%这个数值是板厂综合到各种误差之后得出来的一个能够实现的比较优的数值了，那为什么很难做到8%甚至5%呢？高速先生通过仿真分析下面这个加工因素对阻抗的变化，大家或许能够对阻抗的控制难度有一个更为知性的认识哈！
今天要说的对阻抗控制产生较大差异的因素是玻纤效应的影响。其实这个因素严格意义来说不属于PCB的加工因素，因为玻纤布类型早在设计阶段就可能已经选好了，当然有一些客户在叠层设计的时候只写上每层的厚度，但是不指定PP和core的玻纤布类型，这样的话，板厂就会在加工阶段自己根据客户的厚度来选择，然后开始加工。这样的话，选择PP和core的随机性就更大了。
大家肯定或多或少听过不同类型的PP，例如1080，2116，3313，7628等。但是不知道它们具体有什么区别，这里高速先生给大家稍微深入的普及下哈。下图的PCB切片就可以看到，PCB介质（无论是core还是PP片）都是由两部分组成的，包括了玻璃纤维布和树脂。其中玻璃纤维布就像骨架，起增加强度和支持的作用，树脂就像胶水，起到粘合的效果。
然后我们说的PP的类型，其实是指玻纤布的类型，树脂都是一样的。玻纤布其实和我们大家穿的衣服类似，纤维都是纵横轴（又叫经纬线）编织而成的，但构成线的粗细疏密不一样，所以布有厚薄、疏密之分。如有些防水防风布，编织非常密且薄，还有一些毛线洞洞装，厚但是会有洞，透风，玻纤布其实是一样的结构。
玻纤根据不同的加工方式，有普通玻纤，开纤布和平织布等，最终的效果是疏密厚薄有差异，我们看到的就是开窗的大小差异较大，如下图所示。
然后根据单位长度有不同数量玻纤束的编织方式，就形成了窗口大小不同的玻纤布类型，下图是高速先生在“自制”的显微镜下在实物板上看到的不同玻纤布的图像：
那什么是玻纤效应呢？高速先生也花点篇幅和大家介绍下，所谓玻纤效应，并不单纯只是玻纤的问题，它是和树脂一起作用的结果。引起玻纤效应的原因并不只是玻纤是普通玻纤，开窗比较大，而是由于玻璃纤维布本身和树脂的介电常数不同。一般来说，玻璃纤维布的介电常数是6左右，而树脂是比较低的，一般在2-3之间。这个时候差分线处在玻纤的哪个位置就显得很重要。
那到底走线在PP上的不同位置会对阻抗有多大差异呢？其实这个事情从仿真和测试都很难用数据去量化，因为走线在哪个位置本来就是一件随机的事情，因此很难得到具体阻抗偏差的范围，高速先生尝试在cadence的3D仿真软件中按照IPC协会对玻纤布的详细规格建出一个3D的玻纤布模型，建的是比较差的1080PP模型，如下所示：
从模型上可以看到，1080的PP玻纤布的开窗是比较大的，我们在上面建了一对理想情况下接近100欧姆的差分线，然后我们通过扫描它在PP上的不同位置仿真得到各自的阻抗，按照走线往右移动每隔2mil的情况进行扫描，大概仿真6个case，如下所示：
然后设置好频率范围等参数就开始仿真3D仿真了。大家是不是很期待仿真出来的阻抗到底有没有差异呢？别急嘛，高速先生先给大家一些心理的准备，上面说到玻纤效应对阻抗的影响主要是因为走线可能会落到空窗上，也可能会落在玻纤布上，由于两者介电常数有差异，因此表现出来的阻抗肯定就有差异了，所以仿真出来的阻抗肯定是会有差异的！
这个仿真看起来模型好像很简单，但是其实仿真时间是很长的，因为玻纤布的结构还是比较复杂，高速先生用了最近刚配置的高端服务器也需要扫描快2天时间才把6种case的结果仿真出来，所以让大家等待一下下应该也不过分哈~~~
仿真结果出来了，我们把不同位置的6个case的阻抗仿真结果摆在一起，发现阻抗的偏差还是比较大的，这6个case的阻抗最高的在105欧姆，最低的是97欧姆，如果以中值101欧姆来算误差的值，那这个1080PP上的走线的阻抗仿真误差就已经有4%了！这里再多说两句就是，6个case的结果并不是按照往右移动走线的顺序依次排列的，移动2mil不一定就比移动4mil要高，在PP上不同位置的阻抗要根据具体走线落到更多是玻纤布还是空窗上来决定。
值得注意的另外一点是，即使还是使用1080这种PP类型，差分线的线宽和线间距的组合不同，仿真得到的阻抗肯定也不尽相同，另外扫描不同位置的阻抗，得到的最大最小阻抗误差的数值也可能不同，可能更大，也可能更小，原因也是和上述讲的是同一个哈。
最后总结一下，玻纤效应只是其中一个会影响阻抗误差的因素，还有很多影响阻抗的因素，而且有的加工因素可能更难从仿真建模中去衡量，更具有随机性。因此对一个产品的开发，可能更重要的不是再从加工上去抠板材从10%到8%甚至5%的阻抗加工误差了，转到从PCB上更优化的设计去获取更多的系统裕量会是更现实的方法，这样才能在板材加工产生一定的阻抗加工误差的情况下依然拥有很好的裕量，尤其是对阻抗非常敏感的高速串行信号，优秀的PCB设计能力和精确的仿真可能能帮到大家的产品拥有更多的裕量来抵抗加工误差！
