SI基础知识:说一说玻纤布规格(如1078)的具体含义,以及等效Dk计算

玻纤布的编织包含经向和纬向两个不同的方向,这些玻璃布并没有被紧密放置在一起,在玻纤布上会有开窗,而且经向开窗和纬向开窗大小不同。

IPC定义了每种玻纤布的编织密度以及所用玻璃丝的规格,如下图所示。

看上面的表格,1078玻布,Fabric Count就是每inch经向和纬向分别有多少束玻璃丝,54 x 54就是经向和纬向分别都有54束,yarn指的是纱,D450 1/0中D指的是纱丝直径5um,450指的是每磅码数除以 100,应该是重量,1/0代表single yarn end(单纱头)。

树脂和玻纤布的Dk差异很大,E-glass的Dk大约在6.8,low-Dk glass大概在4.8,而大多数PCB材料所用的树脂Dk是2.7-3.0,所以不管是常规的E布和low-Dk玻布,其Dk都是跟树脂有很大差异的。当差分对中的一条线分布在玻纤束上,另一条分布在开窗上时(即分布在树脂上),两条线的电场会穿透不同的材料,感知到的Dk也会不同,结果就是差分对内产生skew,Dk差异越大,skew越大。

下图是一个实际的PCB横截面,白点就是玻璃丝。首先,玻璃束轮廓近似椭圆形。在轮廓内,白点没有完全填充整个区域。这意味着玻璃丝并没有紧密堆叠在椭圆形轮廓中。玻璃束体积内的物体是玻璃丝和树脂的混合物,而不是纯玻璃。由于在传统的建模方法中,玻璃束被建模为实心块,那么该块的材料不是纯玻璃,而是玻璃和树脂的混合物。具体到材料的Dk,纯玻璃Dk应用于玻璃束会夸大DK,不适合建模。如果模型中的Dk大于实际Dk,则T线阻抗将低于实际值。

由于真实玻璃束块的体积由玻璃丝和树脂组成,直观的方法是将玻璃丝包含在模型中,但如上所述,3D模型将过于复杂而难以求解。从建模角度来看,一种实用的方法是使用玻璃丝和树脂的有效 Dk 进行建模。

有效Dk的计算公式如下:

\varepsilon _{e}表示有效Dk,\varepsilon _{r}表示树脂Dk,\varepsilon _{g}表示玻璃Dk,V _{r}表示树脂的体积,V _{g}表示玻璃的体积。已知树脂和玻璃的Dk,那么问题就是需要得到玻璃和树脂的体积比。体积比可以转换为横截面中的面积比。在最上面的表格中,IPC定义了玻璃丝的直径和数量,那么可以计算出横截面中玻璃丝的面积,玻璃束的宽度和厚度可以通过测试获取,这样就可以计算出一个玻璃束中玻璃和树脂的体积比。下表展示了常见玻布的体积比数据,可以看出玻璃束中有近一半的体积都是树脂。

下图展示了玻璃束有效Dk随着玻璃的体积比改变而改变的曲线,假设玻璃和树脂体积比为0.55,树脂的Dk是2.8,那么玻璃束的有效Dk就是4.3,如果是low-Dk玻布,有效Dk则是3.2.

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