在具有良好對比度的顯微鏡下觀察PCB基板的橫截面，你會發現基板不是均勻的材料。PCB層壓板由纖維編織結構組成，其中玻璃織物包裹在樹脂中。盡管玻璃編織圖案在整個層壓板中重復，但材料實際上在整個基材中是不均勻的。

這些材料的電氣特性非常不同，這會產生信號完整性問題，涉及沿互連的色散、吸收和有效介電常數的變化。對于以較小時鐘頻率運行的低速信號，互連上累積的偏斜可能太小而無法注意到，但這在任何需要高數據速率的應用中都會出現問題。

玻纖效應和介電常數

FR4 等常見的 PCB 基板是不均勻的，這意味著介電常數在整個基板上變化。PCB層壓板通常是方形網格玻璃編織，填充有環氧樹脂以提供剛性。這兩種材料的電性能非常不同：玻璃編織的損耗非常低，介電常數接近6。另一方面，環氧樹脂具有一定的損耗和介電常數約3或更低。FR4 和其他基板的介電常數通常引用為整個互連中的單個測量值，本質上是玻璃和環氧樹脂折射率的長度加權平均值。

任何玻纖效應都是由整個基材的編織圖案的周期性變化引起的。由于基板材料的介電常數反復變化，基板的介電常數也是各向異性的，不同的方向不同的特性，這意味著信號看到的介電常數也取決于信號傳播的方向。

觀察玻纖布的示意圖，就會發現玻纖布如何影響行進信號。

玻布區域和環氧樹脂區域具有不同的介電常數，因此每個區域的走線特性阻抗會有所不同。然后，這將影響每個區域中走線對的所有其他阻抗值。每條走線中的損耗也會不同，因為每個區域的有效介電常數也不同。

可用于確定偏斜的一個公式涉及使用玻璃和樹脂編織的介電常數。偏斜基本上是由于每種材料上傳播延遲的差異而累積的，這與介電常數的差異成正比：

應該很容易看出，每個區域的有效介電常數是走線位置、相對于纖維編織方向的角度以及編織區域之間的間隔的等效值。通常，具有更緊密玻璃編織（意味著玻布部分之間的孔隙較小）的基板在介電常數方面具有較小的變化。沿走線的有效介電常數的差異在這對走線中產生了兩種效應：

累積時延偏斜

每條走線中的信號沿此互連傳輸所需的時間長度略有不同。結果，這些信號之間會出現偏斜，即時延差，這可能會使它們完全不同步。在低時鐘速率下，這些信號之間的偏斜通常太小而無法注意到，只要走線的長度匹配在一定的容差范圍內，就不會被注意到。但是，當通道以 10 Gbps 或更高速率運行時，走線之間的偏斜會使并行信號完全不同步。對于差分對，這消除了共模噪聲抗擾度并產生位錯誤。

走線阻抗不連續

走線的有效介電常數決定了沿走線傳播的信號看到的阻抗。由于基板介電常數和損耗決定了走線中的有效介電常數和損耗，因此走線中的阻抗和損耗在整個互連過程中也各不相同。只要走線相對較短，這些影響就很小，但在高數據速率下產生的更重要的影響是PCB基板中的色散引起的信號失真。色散指的是波的速度隨頻率的改變而改變的現象。

如果兩條走線沿著完全相同的編織模式并行布線，則兩條走線將因色散而經歷相同的總諧波失真，從而消除了誤碼的可能性。在實際情況下，這幾乎是不可能的。在高數據速率下，沿走線產生的脈沖失真變得明顯。這表現為不同并行走線中的不同信號，通行時間略有不同。

周期性負載下的基板諧振

多年來，研發界一直忽視這個問題。由于信號周期性地注入互連并沿跡線傳播，因此信號并沒有真正局限于導體內部。當信號沿著跡線傳播時，一部分電磁場滲入基板。這導致部分電磁場保持在纖維編織和基材中的環氧樹脂區域之間。玻璃編織和環氧樹脂之間的高折射率對比度導致相對強烈的反射，這足以在這些基板空腔中引起入射波和反射波之間的疊加。

這意味著玻璃編織和環氧樹脂之間的空腔具有一定的共振頻譜。在FR4中，60mils的玻璃編織間距具有約45 GHz的最低階共振頻率（半波長）。換句話說，以45 GHz（不是45 Gbps，這些并不總是相同的！）的速率傳輸的數據將在限制在玻璃和環氧樹脂之間的走線周圍的基板上產生一些共振。模擬信號也是如此。這種共振可以在附近的另一條走線中產生感應串擾。

PCB基板的復雜結構會導致較低頻率的共振， 取決于走線到玻璃編織的角度;對角線延伸至玻璃環氧樹脂腔的走線可以僅由于幾何形狀而激發較低頻率的共振。除了上述阻抗問題外，這些諧振還會影響沿互連的插入/回波損耗。

由于在中端數據速率/時鐘頻率下重復注入信號，這會導致插入損耗曲線的額外損耗。隨著數據速率的不斷提高，我們越來越接近這些GHz諧振頻率，特別是最低階玻璃編織腔頻率。這在以毫米波頻率運行的設備中已經是一個問題。

玻纖效應仿真

建模前主要需要了解幾個信息：疊層、PP和Core的屬性、玻纖布的參數

根據以上信息逐步填入參數

0°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分線中一條落在玻纖布下，而另一條則是在玻纖布和樹脂中交錯。

10°角生成的模型如下

可以很清楚的看到差分線中的兩條都是均勻的錯落在玻纖布和樹脂之間的。

損耗分析

2inch的走線在16GHz將近差了2dB

差模共模轉換

0°與10°走線差模轉共模差異顯著

Skew分析

因此，此模型下0°走線每inch的skew約為6.3ps

阻抗分析

差分阻抗相差還不大

0°走線的單端阻抗就能看出明顯的差異

2inch走線大概15ps的時延，通過阻抗看時延誤差會大一些。

眼圖分析

信號的傳播速度與差分對每一半信號周圍介質的平均端到端介電常數（Dk 或 εr）的平方根成反比。周圍玻纖較多（εr 約為 7.0）的信號速度比周圍樹脂較多的信號速度慢。由此產生的總延遲差異被稱為玻纖編織效應。這將導致模式轉換，在某些情況下可能導致接收器端的眼圖完全閉合。

10inch長度25Gbps 速率下10°走線眼圖

配5dB CTLE后

10inch長度25Gbps速率下0°走線眼圖

配9dB CTLE

再配兩階DFE才能拉回來

10G信號，0°不開均衡

6inch長度以下時，影響縮小到可以接受的范圍

10° 6inch

預防玻纖編織效應

差分通道上的 skew 值范圍通常為 10 到 100 ps，但要預測玻纖編織效應則是一個棘手的問題。差分對中一條布線的介電常數有多大機會不同于另一條布線？有幾個因素決定了存在 GWS 的可能性，包括：

? 玻纖間距
? 差分走線間距
? 玻纖編織類型
? 布線長度
? 玻纖與樹脂 Dk (εr)

就玻纖編織效應而言，預防遠比預測要
現實得多。

玻纖效應的標準

每個差分串行通道標準和速度都有自己的 skew 容差。大多數芯片制造商都會提供自己的 skew 容差指南，但我們通常可以將通道的 skew 容差保守地描述為比特流單位間隔 (UI) 的 20%-25%。例如，1 千兆位/秒 (Gbps) (500 MHz) 信號的 UI 為 1000 ps。使用25% 作為指導準則，這表示 skew 容差為 250 ps。這是一個相當寬的窗口，也正因為如此，大多數工程師在 20 年前根本不必擔心 玻纖效應影響的問題。

玻纖布的選擇

方案1:最小化樹脂窗口。為什么 1080 玻纖會引起玻纖編織效應問題？主要問題在于，該玻纖類型的 “樹脂窗口”大于其他替代玻纖類型。當所有其他條件都相等時，較高的玻纖覆蓋率意味著差分對的兩個信號沿信號路徑“看到” 相同或相似的 Dk 環境的概率較高。

有兩種方法可用于量化各種玻纖類型在玻纖編織效應方面的相對性能：[1] 透氣性和 [2] 玻纖覆蓋率。透氣性結果較低意味著玻纖覆蓋率較高（高 Dk），且空氣間隙較小（低Dk 樹脂窗口）。緩解玻纖編織效應的理想玻纖類型是那些具有最低透氣性的玻纖類型。

縱軸為透氣性，橫軸代表玻纖覆蓋率（百分比）

以上結果針對的是單層玻纖結構。盡管對于相同的電介質厚度，雙層玻纖比單層玻纖的成本略高一些，但雙層玻纖，或者更廣泛地說，多層玻纖，經證明是一種能夠有效緩解玻纖編織效應的方法。其次，在查看圖表時，需要比較相同介質厚度下的常用單層玻纖類型，這一點非常重要。在此方面，例如，106 玻纖應該與1067 玻纖比較，而不是與 2116 或 3313 玻纖進行比較。按芯板厚度進行的分組在圖中顯示為灰色。根據這一數據，較厚的單層玻纖始終優于較薄的單層玻纖。

芯板厚度相似時可以看到，對于 2.0 mil 芯板，1067玻纖優于 106 玻纖。對于 2.5 mil 芯板，1078 玻纖優于 1080 玻纖。對于 3 mil 芯板，1086 被認為優于1080 玻纖。對于 3.5 至 5 mil 芯板，2116、2113、
1078、1086 和 3313 單層玻纖類型都具有較好的一致性。我們不能確定這些關系對其他玻纖制造商而言是否同樣成立，但在考慮不同的玻纖類型時，這是一個有益的出發點。

雙層玻纖可用于降低高速差分對中的信號線看到系統性樹脂間隙的概率，因為兩層玻纖幾乎不太可能相互完全對準。綠色頂層作為單一層，其樹脂窗口類似于圖中所示較大的黃色正方形。圖中的紅色第二層玻纖，由于拼板間玻纖的隨機制造偏移產生的差異，通常能夠幫助縮小純樹脂窗口，從而減小玻纖編織引起的 skew。同樣，我們必須認識到，這里討論的是概率。

結語

隨著互連速度的不斷提升，作為設計流程的一部分，PCB 硬件設計人員

需要有效地緩解玻纖編織效應。