无需昂贵的PCB材料维护信号完整性和性能
文章：Jeff Hockert
PCB制造产生机会，以维持信号完整性和其他性能特性而无需昂贵的材料。
When reading and studying the multitude of opinions available in articles and on the internet, it’s easy to assume that there is consensus among those in the know that the days of using traditional low-cost PCB materials for next-generation high-speed design are dead and gone. Then there is this notion that the requirements of modern technologies such as PCIe 5.0 and beyond have pushed the boundaries of board design and manufacture toward the brink.
仔细看看所涉及的材料和方法，提供了新的希望，尽管我们确实冲刺更接近边缘，但我们可以制造一些关键调整，这可能让我们停止跨越它至少现在。
新一代PCB材料的成本
虽然下一代材料的使用将使新技术更容易融入设计中，但这种能力和性能的提高是有实际成本的:使用外来材料制造PCB要昂贵得多。万博投注网址这一增幅可能达到100%甚至更多，这取决于设计细节。
一些公司更愿意实现这一重大飞跃，因为他们的系统和设计可以适应使用外来材料，并吸收与使用相关的额外成本。万博投注网址然而，还有许多其他国家受到更严格的设计和预算限制，这将使过渡更加困难。
因此，英特尔工程师努力研究所涉及的各种因素，并提供了许多方法，使设计人员使用较低的成本，当前发电的PCB材料和工艺将下一代技术构建到其设计中。万博投注网址
成本不是唯一的考虑因素
在你的设计中融入下一代技术时，制造成本的增加是不可避免的。万博投注网址不过，我们的研究已经确定，有一些变量可以设法将增幅控制在30%以内。
以下是从我们执行的研究中收集的一些更容易适用的见解。但是，在阅读时，重要的是要记住这种方法不是一个灵丹妙药 - 在每个层面都有权衡考虑，而总体成本很重要，但它只是必须成为的因素之一经过考虑的。
设计变量
制造PCB时，有任何数量的变量必须考虑。但是，我们的努力已经确定，最多的好处是专注于这些设计变量中的四个：介电材料，铜，氧化过程的表面粗糙度和堆叠的优化。对于每个设计变量，我们还列出了行业可以努力的选项，并提供经济高效的解决方案。
- 介电材料
传统的FR4介电材料使用具有E-玻璃增强系统的环氧树脂，以保持成本。异端介电材料通常需要使用更昂贵的PPE / PPO树脂系统和/或低D.k玻璃以更好的性能，提高整体制造成本。
选择:已开发出新的生产方法，将环氧树脂与基于PPE/ ppo的树脂结合，从而生产出具有性能特性的成品板，可以满足性能要求，但制造成本更低。
- 铜表面坚固性
在理想的情况下，高速信号会穿过由表面不粗糙的铜制成的路径。不幸的是，在现实世界中，使用“光滑的”铜是不可能的，因为其他材料将很难粘附在它上面，PCB将会分层和脱落。由于这个原因，在PCB制造中使用的所有铜都具有某种程度的粗糙度。对于具有更高电气性能和更低损耗要求的板，制造商使用具有更低(更平滑)轮廓的铜。缺点是这些材料比较贵。
图1更高的铜粗糙度阻碍电流流动，导致更高的损失。来源:英特尔
选择:使用一种新型的铜箔，通常被称为RTF2，在市场上越来越受欢迎。RTF2是一种具有非均匀粗糙度轮廓的铜箔，其性能接近超低轮廓(HVLP)铜箔，但可以以较低的成本制造。下一代RTF2铜箔也正在研究中，以实现hvlp类性能的成本增加最小。
- 氧化过程
在PCB制造中，通常需要表面氧化过程以促进核心和预浸料层之间的粘合以获得最佳粘合。在该过程中必须击中精确的平衡，因为在增加铜箔的表面粗糙度的同时有助于提高粘附性，它可以对铜轮廓产生显着的负面影响，从而对信号完整性产生显着的负面影响。不精确或不必要的侵蚀性氧化过程可以通过在粘合之前通过过度粗糙化而通过支付更好的较低型铜箔而获得的改进。
选项：低蚀刻氧化化学和粘合促进剂 - 减少铜表面粗糙化的要求，同时保持PCB的所需粘接强度 - 正在由该行业开发和采用。较少的表面氧化也降低了对信号完整性的潜在负面影响，使得这种方法是双赢。
- 堆叠优化
在某些方面，PCB堆叠的适当确定是性能优化和成本最小化过程的低挂果实，因为厚度很重要。
图2.合适的堆叠可以帮助最小化PCB损耗。资料来源：英特尔
选项:当仔细观察更常见的芯/预浸层厚度选项的信号损耗特性时，很明显损耗可以通过简单地花时间来确定正确的叠层来最小化。在英特尔工程师进行的一项测试中，发现在测量信号损耗时，5/6堆叠- 5 mil芯厚和6 mil预浸料厚度比3/9堆叠-使用相同的衬底和铜剖面的性能高出15%以上。
当然，这种方法并不是完全正确的，因为改变堆叠会对路由密度和噪声耦合产生负面影响。然而，它确实有助于强调，在性能和成本优化过程中，仔细选择堆叠及其信号完整性影响是一个关键步骤。
与学术界合作
如上所述，英特尔的这项研究是为那些发现很难——甚至不可能——在系统和设计中加入新一代材料的公司提供替代方案的一种手段。万博投注网址但是，即使英特尔拥有如此多的资源，在研发方面仍有一些空白，我们无法单靠自己来填补。
因此，学术界必须在各个层面参与这些努力。业内专家和学者在这个领域已经取得了一些进步，他们共同的目标是识别、研究和解决困扰PCB制造的问题。这种协作方式是确保我们的行业在未来继续创新和增长的关键，就像今天一样。
编辑注意：这是高速互连设计系列的第一篇文章。请继续关注以下文章中关于CXL协议、PCIe 4.0路由和Snow Ridge集成以太网的更多信息。
本文最初发表于edn.。
Jeff Hockert是英特尔技术领导营销团队的高级营销经理。
相关文章: