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毫米波頻率下PCB電路板資料的玻璃纖維效應分析

通常地, 為了提高電路板資料的强度, 最常用的方法是添加玻璃纖維/布料到 印刷電路板(PCB) dielectric layer. 即使是最薄的PCB, 一旦加入玻璃纖維, 其强度可以提高. 但是要為此付出什麼代價呢? 效能權衡是什麼? 玻璃有其自身的資料特性. 當它與構成高頻電路板資料的介質和表面銅箔資料結合時, 它對電路的電力效能有什麼影響? 這個部落格將試圖“洞察”玻璃纖維對高頻電路板的影響, 尤其是毫米波電路. 因為 毫米波電路板 are becoming more and more important in emerging automotive radar systems (77GHz) and fifth-generation (5G) cellular wireless communication systems.

通過將玻璃纖維與形成電路板資料的各種樹脂混合，以這種管道形成的印刷電路板的强度和耐久性將大大提高。 當電路板需要較高的機械強度時，可以在電介質基板中混合一層或多層玻璃布，並將陶瓷材料混合在一起作為填料，以達到較高的機械強度。 羅傑斯（Rogers）公司的層壓板採用這種方法。 然而，玻璃纖維通常是編織結構，其介電常數（Dk）高於介電材料（和陶瓷填料）。 不同Dk值的資料在整個混合過程中通常無法實現完美的均勻分佈，這導致電路板資料在小面積內具有不同的尺寸和間距Dk變化。 在射頻和微波頻率下，Dk的這種變化可能不太重要，但在波長較小的毫米波頻率下，它會產生更大的影響。

玻璃纖維對電路板資料電路效能的這種影響稱為玻璃效應（GWE）或纖維效應（FWE）。 玻璃纖維是PCB資料的加强部分，它確實有助於製造非常薄和耐用的電路板資料。 較薄的資料對於具有緊湊封裝要求的應用具有明顯的優勢，並且它們非常適合更高頻率、小波長的電路應用，例如28GHz或更高頻率的毫米波電路。

理想情况下，印刷電路板資料將包括玻璃纖維和銅箔，以實現一致的效能。 玻璃纖維不僅是毫米波應用的焦點，而且還影響高速數位電路，影響相鄰訊號之間的傳輸延遲和失真，以及定時差异（導致誤碼率新增）。 本部落格將關注玻璃纖維效應GWE如何影響77 GHz和其他毫米波電路。

確定更改

在毫米波頻率下，即使電路板資料Dk中的微小變化也會導致電特性的變化，例如訊號延遲和傳輸線相位差。 對於較薄的電路，雖然玻璃纖維新增了强度，但它也新增了Dk，Dk遠高於周圍的介電材料。 玻璃纖維的Dk約為6.0，介電材料的Dk約為2.1-2.6，混合後可得到整體Dk約為3.0。 用於形成高頻PCB的玻璃纖維/布通常不是完美的網格，並且在製造電路板資料之前，可能會由於運輸和搬運而變形。

此外，高頻PCB資料上的電路佈線也可能導致玻璃纖維效應對整個電路產生或多或少的效能影響。 玻璃布由玻璃纖維編織而成，其圖案具有以下特點：在電路板資料的小面積內，某些地方會有玻璃纖維的交織和疊加，但有些地方會有空隙，沒有玻璃纖維。 傳輸線的效能差异發生在這些玻璃纖維交織的區域。 玻璃纖維較多的區域稱為“指關節束區”，玻璃纖維較少的區域稱為“束開放區”。 “轉向節交叉區”的Dk值將高於玻璃纖維較少的“束開口區”。 由於電路板資料的混合性質，傳輸線可能會通過高玻璃纖維區域、無玻璃區域，或以“之字形”的形狀同時通過這兩個區域，這將導致同一傳輸線通過Dk不同的地方。 效能差异大。

隨著頻率的新增或更高的數位速度，玻璃纖維效應變得越來越重要，電路板資料的研發人員試圖通過不同類型的玻璃纖維和圖案來最小化這些效應。 毫米波電路的電路板資料中通常使用以下不同的玻璃纖維類型，即：106型開口平衡機織玻璃布、1080型開口不平衡機織玻璃布和1078型扁平纖維開口平衡機織玻璃布。 這3種玻璃纖維相對較薄。 這裡的“平衡”織造是指玻璃纖維X軸上的玻璃經紗與Y軸上的緯紗的厚度和密度之比。 玻璃纖維紗線束之間的開口區域可能具有不同的幾何結構，但玻璃纖維紗線的厚度和密度决定其是否平衡。 1078玻璃布具有扁平的纖維開口編織結構，均勻分佈在無纖維開口區域的資料中； 雖然106和1080玻璃布的資料不同，但編織玻璃纖維之間存在開口。

77 GHz差

對不同玻璃布類型電路板資料的研究發現，傳輸線電路位於不同的玻璃纖維“交叉區”和“梁開口區”，其效能將有顯著差异。 從以上3種典型的玻璃布類型的電路板資料出發，設計了量測電路。 該資料使用壓延銅，以儘量減少銅箔粗糙度的影響，並選擇通過“轉向節交叉區域”和“光束開口區域”的電路，以使用網絡分析儀進行量測。 量測參數包括每個電路的群延遲、傳播延遲和相位角響應，以及由此產生的效能差异，以便深入瞭解不同玻璃纖維和不同玻璃編織結構如何在電路中產生不同的Dk值。

本實驗使用厚度為4毫米的聚四氟乙烯（PTFE）資料，無填料，壓延銅，以及上述3種不同玻璃布的組合。 1078型玻璃纖維電路板資料具有平坦且平衡的配寘，可將電路的“轉向節交叉區域”方向與“橫樑開口區域”方向之間的差异降至最低。 測試結果表明，這種1078玻璃纖維電路板資料製成的電路在77ghz頻率下的相位差僅為20度。

其他兩種玻璃纖維的性能比較如何？ 相同的4mil厚PTFE非填充軋製銅板資料。 使用的106型玻璃纖維具有開放式編織和平衡結構。 77 GHz下“轉向節交叉區”和“波束開放區”方向的相位角平均差為100度。 同一電路資料中使用的1080型玻璃布具有開放編織和不平衡結構，並且電路在77 GHz頻率下的平均相位角差為149度。

由玻璃纖維效應引起的這些差异導致的電路板資料的Dk差异是什麼？ 上述相同電路的結果表明，“轉向節橫樑區域”中的電路與“橫樑開口區域”中的電路之間的差异對應於使用1078玻璃布資料的電路的Dk變化約為0.02。 採用106型玻璃布資料，Dk相差較大，為0.09。 使用1080型玻璃布資料的電路對應的最大Dk差達到0.14。

對於使用單層玻璃纖維的電路層壓板，玻璃纖維效應比多層玻璃層壓板更明顯，因為多層玻璃纖維的平均堆疊將使玻璃分佈更加均勻。 對於毫米波電路，波長很小，通常的電路很薄，資料通常僅由一層玻璃纖維加固。 在這種情況下，玻璃纖維效應對電路效能的影響更大。 帶填料的層壓板（如陶瓷）有這種附加資料（Dk介於玻璃的Dk和樹脂系統的Dk之間），雖然它不能完全解决玻璃纖維效應，但它會在一定程度上使電路板資料上的Dk更加均勻，以减少高頻下玻璃纖維效應的影響。 例如，羅傑斯公司生產的RO4830„¢層壓板就是這種電路資料，帶有1078塊扁平的開放式玻璃纖維布和陶瓷填料。

此外，Rogers®RO3003®層壓板不含玻璃布，是毫米波電路常用的電路板資料之一。 這是一種陶瓷填充PCB資料，Dk為3.00，Dk公差控制在±0.04以內。 這種Dk一致性對於毫米波電路和高速數位電路中的差分對至關重要。

移除玻璃纖維

完全避免玻璃纖維效應的一種方法是使用不含玻璃纖維/布的電路板資料。 特別是對於使用77GHz毫米波的汽車雷達電路，使用不含玻璃纖維的高頻電路板資料比使用玻璃纖維增强電路板資料要好得多。 羅傑斯最新的RO3003G2„„„„„„„電路層壓板也是一種不含玻璃布的資料。 測試表明，它在毫米波頻率下的不同電路板之間具有非常一致的效能，例如一致的微帶傳輸線阻抗。

當涉及阻抗變化時, 其他資料或電路參數, 例如導體寬度的變化, 銅厚度, 和基板厚度, 也可能導致傳輸線阻抗的變化. 然而, 新發佈的 RO3003G2高頻板 該資料完全消除了影響電路阻抗或效能變化的玻璃纖維影響因素, 這對於77 GHz及更高頻率至關重要.

注：本部落格基於原作者的網絡研討會報告“玻璃編織對毫米波PCB效能的影響概述”（玻璃編織對毫米波PCB效能的影響概述）。

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