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印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM评估旋转拼板避免玻纤效应的试验黄涛（珠海斗门超毅实业有限公司互联技术中心，广东 珠海 519180）摘要高速印制电路板（PCB）如何避免设计和制造端的玻纤效应已有较多的解决方案。在设计已经固定时，在制造阶段旋转拼板是一种较常见的方案，多数拼板旋转角度参考行业内建议的515，但这种方法对物料成本、制造成本及时间成本有极大的浪费。生产实践中，建议剪裁实际产品的高速通道作为测试条，通过时域反射计（TDR）测试差分对内传输时延差（skew）和2根单线的阻抗差异对差分对的对称性进行统计分析，得到合适的生产拼板旋转角度。最后利用向量网络分析仪（VNA），对不同旋转角度差分对频域性能进行测试，并验证TDR测试结论。整个试验方案节省了大量的测试成本和物料成本，可为在高速PCB的加工制造中避免玻纤效应提供参考。关键词印制电路板；玻纤效应；时域反射计；时延差中图分类号：TN41/TN06文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04000107An experiment to evaluate the glass fiber weave effects in rotating panelizationHUANG Tao(R&D Center,Multek Industries Limited,Zhuhai 519180,Guangdong,China)AbstractHigh-speed printed circuit boards(PCB)have long been plagued by the issue of glass fiber weave effects,and various solutions have been discussed in both the design and manufacturing stages.One common approach in the manufacturing stage is the use of board rotation during panelization,with recommended rotation angles ranging from 5 to 15 according to industry guidelines.However,this method entails significant waste in terms of material,manufacturing,and time costs.In practical production,it is suggested to utilize the actual high-speed channels of the product as device under test(DUT)and employ time domain reflectometry(TDR)to statistically analyze the skew of differential pairs and the impedance difference between two single-ended lines to assess the symmetry of differential pairs.This approach allows for determining the appropriate rotation angle for panelization in production.Furthermore,the conclusions drawn from TDR testing can be validated by performing frequency domain performance testing on differential pairs using a vector network analyzer(VNA).This experimental approach significantly reduces testing and material costs,providing a reference for evaluating glass fiber weave effects in the manufacturing of high-speed PCBs.Therefore,this study proposes an evaluation method for addressing the glass fiber weave effects in the fabrication of high-speed PCBs,which can effectively save costs and provide valuable insights for the industry.Key wordsprinted circuit board(PCB);glass fiber weave effect;time domain reflectometry(TDR);skew作者简介：黄 涛（1984），男，主要研究方向为高多层、任意层互联，软硬结合板等产品的信号完整性。-1设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.40引言印制电路板（printed circuit board，PCB）的基础材料覆铜板（copper clad laminate，CCL）是由玻璃布、树脂及无机填料构成的复合材料。玻璃布和树脂的介电特性存在差异，因此CCL是非均匀的，差分对2条导线周围所有位置的有效介电常数（Dk）并非都相同。即使在物理长度相等的情况下，由于局部电介质特性的差异也可能造成 电 长 度 不 一 致 的 情 况，出 现 传 输 时 延 差（skew）。传输时延差会导致高速差分信号在传输时部分或全部差分信号转变为共模信号。差分插入损耗增大，导致高速传输通道受到影响甚至失效，高速PCB不管是设计还是制造都必须克服该问题。由于玻纤效应与玻璃布类型、玻纤束宽度、玻纤束间距、设计线宽线距等都有关系，PCB的物料特性和制造工艺决定了传输时延差是随机出现的。因此，预测差分对是否会因为玻纤效应出现差分对内时延差（intra-pair skew）导致通道失效是非常困难的。在实践中，设计者和制造者都以预防为主，通过一系列措施1保证每一对差分对不出现传输时延差，或传输时延差在传输速率容差范围内，从而保证整个高速通道满足传输协议的电性能要求。行业内普遍采用旋转走线与玻纤编织方向的角度、选用扁平玻纤布或者NE-玻纤布、叠层选用多张玻纤布组合、之字形布线等方式来克服玻纤效应。当设计阶段未考虑玻纤效应或者考虑不足时，制造阶段主要以旋转走线与玻纤编织方向的 角 度，即 可 制 造 性 设 计（design for manufacturing，DFM）时旋转拼板的方式来解决该问题。1试验背景某高端存储背板应用于单通道10 Gbit/s传输速率产品升级至 25 Gbit/s，部分高速通道眼图测试失败，失效率约2%，未失效通道也有部分处于临界失效点。该背板使用的材料为EM888，设计层数为26层，厚度为5.08 mm。信号层设计大量的 差 分 对 用 于 串 行 小 型 计 算 机 接 口（serial attached SCSI，SAS）以及 Ethernet 通信，如图 1所示，分布在第 3/5/7/9/11/16/18/20/22/24 层，线宽/线 距 为 0.127/0.127 mm、0.163/0.163 mm、0.127/0.229 mm。所有信号层堆叠覆铜板和半固化片（prepreg，PP）都 使 用 2 张 1086 树 脂 含 量（resin content，RC）67%的开纤布，铜箔厚度36 m，类型为非常低轮廓铜箔（very low profile，VLP）。通 过 时 域 反 射 计（time domain reflectometry，TDR）测试和切片分析每个失效通道的每对差分线，发现失效的原因是玻纤效应造成偏离引起高速信号传输失败，如图2所示。从原始设计看，设计者针对10 Gbit/s传输速率采用了相应的措施来避免玻纤效应。但针对更高的25 Gbit/s传输速率，这些预防措施不足，因此，设计者提出通过DFM旋转10拼板来解决玻图 1某高速存储背板其中一层设计截图图 2差分对横截面-2印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM纤效应，并要求生产超过200块试板，然后通过功能测试验证高速通道的性能满足要求。当前版本 DFM 是一拼一的设计，此板原生产板尺寸为410 mm（纬向）539 mm（经向）。如不改变生产板尺寸，根据生产工具留边要求最多只能旋转4。如DFM按照10旋转拼板设计就会增大生产板面尺寸至 457 mm（纬向）609 mm（经向），进而导致一系列辅助物料尺寸变更，同时会严重降低物料利用率，从而增加制造成本。参考已有的研究和生产实践2，考虑不同的设计，解决玻纤效应拼板旋转角度可以为 10、5，甚至3。为了保证生产的PCB能够满足电性能要求，同时避免因为“过设计”造成总体制造成本上升，并缩短最终产品交付时间，通过以下测试方案来评估在该项目中合适的DFM拼板旋转角度。2试验方案2.1设计测试2.1.1附连试验板与拼板设计检查原始设计和失效特征，发现失效通道主要集中在走线较长的差分对，越长的走线对玻纤效应越敏感，且布线主要沿玻纤布的径向。将这些高速通道对应的差分对从原始设计中剪裁出来作为测试条，然后考虑旋转不同角度将其置于径向拼板。本测试方案采用与原始生产板相同尺寸拼板，并考虑在不同位置将这些测试条分别旋转10、6、4、0，如图3所示。最终评估对比这些不同旋转角度的差分对性能。2.1.2叠层设计此板所有高速差分信号线设计全部为带状线，叠层均采用厚度 0.152 mm（6 mil）覆铜板（2张1086 RC67）+2 张 PP（1086 RC67）扁平布的设计。因此在此测试方案中，叠层设计只需4层。同时线宽、线距设计只需选择对玻纤间隙最敏感的0.127/0.127 mm（5 mil）设计即可，如图4所示。2.2选择测试方法Intra-pair skew是指输入差分信号后，同一差分对内2根导线单端时延差值的绝对值。其测量需使 用 四 端 口 示 波 器 做 时 域 传 输（time domain transmission，TDT）测试。大多数PCB厂已经将TDR 作为传输线阻抗测试的标准配置仪器，且TDR比TDT的探测更简单，根据TDR测试原理，发现TDR可作为传输时延差的工程评估测量方法。2.2.1TDR测量原理TDR测量信号是通过传输线（如电路板走线、电缆、连接器等）时产生的反射。TDR仪器通过阶跃信号源发送脉冲，并将未知传输环境的反射信号与标准阻抗产生的反射进行比较。通常TDR显示为快速阶跃信号沿传输线路传播时返回的电压波形。产生的波形是入射阶跃信号和阶跃信号遇到阻抗变化时产生的反射信号的组合。通过数学运算将电压值换算至反射系数，进而在特定阻抗系统中将反射系数换算为阻抗。同时每个阻抗不连续点反射回来的时延不同，TDR波形显示了所有阻抗不连续点产生的所有反射的影响。TDR 测试的简单示意图如图 5 所示。从TDR测量的结果可以得到传输线的两个重要特征：待测传输线的阻抗Z0；脉冲在待测传输线传输一个来回的时间2tp。图 3测试条旋转拼板图 4测试板叠层设计-3设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.42.2.2定义待统计参数测量差分对的 2 条典型单端线阻抗如图 6所示。图 6中，曲线左端第一个凸起点为探头与待测线路测试位接触点，该点定义了待测线路的起始点，沿着曲线的每一点代表待测线路对应该点的阻抗值。右端曲线开路定义了待测线路结束点。从起始点至结束点之间的时间表示阶跃脉冲往返一次的时间。因此，用TDR同时测量2根单线的阻抗，可得2根单线的阻抗差异和阶跃脉冲在2根单线中的传输时延差。如果将差分对的P和N当作2根单端线处理的话，理想情况下两者应完全对称，即同一位置处2根单线线宽相等，局部有效介电常数相同，则定义阻抗差值为阻抗对称性，即Z=Z0_P-Z0_N，应为0或者非常小，同时2根单线所有位置的整体介电常数相同时，传输时延差skew即t=t0_P-t0_N，应为0或者非常小。因此，可以根据差分对的2个特征来评估2根走线的对称性。检查走线的设计特征，设计者为了避免玻纤效应采用了偏移玻纤间距的走线方式，因此不能通过比较单线整体阻抗均值的方式评估双线对称性，只能选取线路平行于玻纤束的一段或几段走线的特性阻抗差作为目标数据来进行统计分析。如图7所示，选取左边第一段椭圆框内的2条单线阻抗作为分析对象，对应 TDR 阻抗曲线约在 51.2 ps处。2根单线对应的传输时延差可直接从示波器的Delay测量得到。传输时延差的测试需在2条待测线路起始点时间严格对齐，测试系统从主机到TDR模块、串联的线缆、探头带来的时间误差对传输时延差的测量结果影响非常大，正式测试之前需对测试通道做严格的校准。可采用TDR的传输时延差校准功能完成校准。将TDR差分探头置于空气中处于开路状态，将时基调整至每格10 ps。然后在TDR设置中将测试使用的2个通道曲线开路端调整至完全重合。测试时，根据待测线路电长度调整合适的时基保证整个阻抗曲线在屏幕中间，待测线路起点位于屏幕的最左边0%10%的区域，待测线路终点位于屏幕的最右边 90%100%的区域，方便观察探测准确性和数据记录。图 5TDR测试原理框图图 6典型TDR测量特性阻抗曲线图 7高速走线设计特征及阻抗选取方法-4印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM2.3定义分析样本数量PCB的原材料特性和制造工艺特性决定了玻纤效应的出现是概率性的，因此在评估高速通道的性能改善和旋转角度的充分性时，仅仅依靠有限的测试结果是不足以得出准确结论的。为了建立可靠的结论，需进行足够数量的样本测试和统计分析。由于玻纤效应的概率性特征，100对差分线分布在100片板上还是分布在1片板上是没有区别的。根据原始设计较长的高速通道包含组差分对设计，考虑客户端失效概率，在本文中，每种旋转角度设计将采用超过200组差分对来评估玻纤效应的发生概率和表征性能差异，每个测试条（coupon）设计 8 组差分对，每块测试板拼板同一角度有 2 个 coupon（），总共生产 17 块测试板。3结果分析3.1阻抗对称性统计结果不同旋转角度差分对单线阻抗对称性统计值见表1，其中样本量272个。单值图和直方图如图8所示。由图8可见，旋转10、6、4和未旋转（0）拼板对应Z中值分别为0.090、0.040、0.005、0.030，没有显著差异，但是对应Z极差分别为0.7、0.7、0.9、2.7，旋转拼板对应Z分布和未转拼板对应Z分布范围有显著差异，且分布范围明显小于旋转拼板的结果。同时，Z统计直方图分布拟合曲线显示旋转10、6、4拼板差分对Delta_Z分布在0.50.5 范围内没有差异。这也和理论一致，如果没有玻纤效应，则差分对2根单线阻抗相同，大样本统计时Z中值应为0，且分布在0两侧附近较窄范围（Z统计直方图分布拟合曲线显示本试验为0.50.5）。如果有玻纤效应，则差分对的2根单线位于高介电常数区和低介电常数区的概率是一致的，大样本统计时Z中值应该为0且分布在0两侧较宽范围（Z统计直方图分布拟合曲线显示本试验为1.341.37）。3.2差分对内时延差统计结果不同旋转角度差分传输时延差统计值见表2，单值图和直方图如图 9所示。由图 9可见，旋转10、6、4和未旋转拼板对应差分传输时延差中值分别为2.25、1.13、2.26、2.25 ps，无显著差异，但对应极差分别为13.5、18.5、14.6、117 ps，旋转拼板对应差分对内传输时延差分布和未旋转拼板对应差分对内传输时延差分布范围有显著差异，且分布范围明显小于未旋转拼板的结果。图 8不同旋转角度差分对单线阻抗对称性统计表1不同旋转角度对应Z统计值单位：旋转状态旋转10旋转6旋转4未旋转（0）平均值0.073 560.049 260.006 840.021 10标准差0.134 610.110 890.149 340.441 60最小值0.417 790.377 620.489 671.340 70中值0.090 970.043 540.005 500.032 10最大值0.280 790.311 200.425 411.373 40极差0.698 580.688 820.915 082.714 10-5设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.4差分传输时延差统计直方图分布拟合曲线等方差检验结果见表 3。由表 3 可见，旋转10、6和4拼板的差分对传输时延差分布在10 10 ps内性能没有显著差异。如果没有玻纤效应，则差分对 2根单线传输时延差一致，大样本统计时传输时延差中值应为0且分布在0两侧附近较窄范围（差分传输时延差统计直方图分布拟合曲线显示本试验结果为-10 10 ps）。如有玻纤效应，则差分对的2根单线位于高介电常数区和低介电常数区的概率是一致的，大样本统计时传输时延差中值应该为0且分布在0两侧较宽范围（差分对内传输时延差统计直方图分布拟合曲线显示本试验结果为-6060 ps）。3.3频域S参数测试验证结论不同旋转角度差分Z统计和差分传输时延差统计显示旋转10、6和4这3个旋转方案差分对的电性能是一致的。为了在频域验证以上结论的准确性，选取8对差分对测试其S参数（散射参数），并对比SDD21曲线，验证频域性能。8对差分如下：旋转10的272对差分对中最差t=-5.62 ps和最差t=7.88 ps；旋转6的 264对差分对中最差t=-7.88 ps和最差t=10.12 ps；旋转4的264对差分对中最差t=-5.62 ps和最差t=9.00 ps；未旋转（旋转0）的272对差分对中t=7.88 ps（性能和其他旋转差分对相当）以及最差t=-61.88 ps的差分对。频域SDD21参数如图10所示。由图10可见，只 有t=-61.88 ps的 差 分 对 SDD21 曲 线 在 约17 GHz出现谐振，与其他几条差分对相比在12.89 GHz 插损劣化约 7 dB。其他 7 对差分对SDD21曲线在整个目标频率范围内（1020 GHz）为线性且几乎重合（略微差异因为差分对设计物理长度有差异），说明旋转10、6和4拼板的差分对频域性能一致。表2等方差检验统计 95%Bonferroni 标准差置信区间样本t（10）t（6）t（4）N272264264标准差/ps2.628 322.779 502.459 99置信区间/ps(2.392 18,2.913 40)(2.479 83,3.143 91)(2.198 21,2.778 14)注：单组置信水平=98.333 3%。图 9不同旋转角度差分对内Skew统计表3等方差检验结果检验方法多重比较Levene检验统计量1.27P 值0.1870.281表 4不同旋转角度差分对传输时延差统计值旋转状态旋转10旋转6旋转4未旋转（0）样本量272264264272平均值/ps1.8161.5342.8722.556标准差/ps2.6282.7802.46014.133最小值/ps5.6207.8805.62061.880中值/ps2.2451.1302.2602.250最大值/ps7.88010.1209.00055.120极差/ps13.50018.00014.620117.000注：旋转6和4的样本量少于旋转10和未旋转（0），因为其中1组测试条（各8对）用于生产切片首板线宽分析。-6印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM4结论（1）从该产品的设计来看，2张玻璃布叠层的方式不能避免玻纤效应，甚至可能让玻纤效应更严重。在当前高速产品差分对设计下，扁平布的使用依然需考虑设计线宽与玻纤束间距的大小和玻璃布是否经纬向双向全开纤，不能简单认为扁平布就能避免或减轻玻纤效应。（2）在设计已经固定的情况下，旋转拼板是一个较好的避免玻纤效应的解决方案。拼板旋转角度可根据本文提出的方法来试验，避免“过设计”和“欠设计”。同时不需将整个PCB完整生产出来再测试，而是根据高速通道所在叠层的实际叠层来设计测试条做旋转拼板测试即可。（3）使用常规TDR测试差分对时域参数单线阻抗和传输时延差，统计分析阻抗对称性和时延对称性的分布情况。差分Z统计和差分传输时延差统计显示本项目旋转10、6和4拼板的差分对性能一致，因此，只需要选择对制造成本影响最小的4做DFM拼板即可。（4）用 矢 量 网 络 分 析 仪（vector network analyzer，VNA）做频域测试，测量每种旋转角度里最差时延差对应的差分对频域S参数，即可验证每种拼板旋转角度对差分对的性能是否有改善，最终再次确认TDR测试结论的准确性。整个试验方法节省大量的测试成本和物料成本，降低了总体制造成本。参考文献 1 LOYER J,KUUZE R K,YE X N.Fiber weave effect:practical impact analysis and mitigation strategiesC/International Engineering Consortium.Proceedings of DesignCon 2007.Santa Clara,CA,USA:UBM Electronics,2007:944-971.2 雷璐娟,雷川,李金鸿,等.高速PCB插损影响因子研究J.印制电路信息,2022,30(增刊1):23-24.图10频域SDD21曲线-7