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如果不考虑材料的性能和要求，任何关于高速PCB设计技术的讨论都是不全面的。运行速度达到每秒28G以上时，大部分设计策略将取决于材料选择。
I-Connect007编辑团队最近采访了Speedge Edge公司高速设计专家Lee Ritchey，以及Avishtech公司和Thintronics公司的电子材料资深人士Tarun Amla，探讨了高阶PCB材料与高速设计技术之间的关系。他们讨论了设计师和工程师在被认为无法达到的速度下使用材料所面临的挑战，以及随着PCB速度继续向极高水平发展，设计师需要了解的材料详情。
Andy Shaughnessy：二位能否介绍过去几十年材料的发展概况、目前所达到的水平，以及设计师们如何了解这些电磁特性？
Lee Ritchey：我于1996年加入3COM公司，那时发展得相当好，所有长度的走线都能以每秒10G的速度工作。然后我开始研发被认为是相当快的100兆位速度。那时，我们唯一担心的是反射和串扰，这基本上意味着阻抗。对于层压板，我们担心是否能够获得剖面阻抗的可重复性。到了1998年，我帮助一家初创公司打造了一款产品，其中，链接速度为每秒千兆位。这在当时被认为是神奇的。
没过多久，我就去了一家名为Procket Networks的初创公司，那里所有的内部信号都是每秒3.125G，而这正是我们开始担心诸如耗损之类的起点。在那之前，我们并不太担心这些属性。因为接收端不能承受太多，所以担心损耗。例如，10dB是很大的损耗，于是开始推动层压板制造商降低损耗。当时，唯一被认为是低损耗的材料是Nelco 4000-13 SI，他们通过使用低损耗玻纤降低损耗。在日本发生海啸之前，这种材料一直运行良好，而这种玻纤的唯一供应商Nittobo就在隔离区内，随即我们无法开工生产。
我和Isola联系，想看看能否达成合作。不久，达到了10G，令人惊讶的是，很快就达到了100G。目前，全球海底电缆的传输速率已达每秒400G，相当惊人。我们通过每秒56G的8个链路实现了这一目标，推动了层压板发展。业界希望将这一数字翻倍，为此我们使用了PAM4（脉冲幅度调制），一种4层涂层，这样时钟仍然是28千兆赫兹。对我们来说，损耗问题仍然存在，但是噪声裕度因电平更小控制还不够好。目前，这就是行业想要实现的目标。
1996年~2021年，从每秒10兆比特发展到400G，25年内带宽增加了40000倍。为了实现这一目标，我们推动了有关层压板的一切。Tarun在这方面可能是最有名的，因为他是推动这一切的主要人物。我的担心有两点：一是玻纤织物的歪斜会导致差分对的两条走线不能同时到达，链路就不能正常工作；二是损耗。Tarun，你可以详细介绍相关内容。
Tarun Amla：大约在2002年，人们认为铜达到每秒5G是不可能实现的。在使用光通道方面做了很多工作，但没有太成功。大约在那个时候，RoHS无铅立法开始实施，这又增加了一层复杂性，因为不仅希望信号以高数据速率通过，而且还要保证性能的可靠性。现在，为了使材料通过认证，PCB必须在260℃下经过6次回流（在某些情况下，要求10次甚至更多）。现在我听说需要经受20次回流焊，这似乎很奇怪。为什么会对PCB有这样的要求？
我们必须着眼于下一代技术。遗憾的是，要找到铜的替代物将很困难，因为这涉及到电介质溶液。我们陷入了摩尔定律僵局，因为已经达到了极限，特别是每秒112G。如使用PAM4，就像Lee说的那样，裕量较低，信号中存在固有的偏差。整个行业都在期待，无论是5G还是每秒112G，都为新材料的出现做好了准备。
Happy Holden：在过去的15年里，与我合作的中国台湾地区同行在研发倒装芯片基板，以8~15微米的走线作为基础。尽管使用了BT芯材和半固化片，但一旦低于20微米，良率就不佳，直到使用Ajinomoto积层。今天，所有8家亚洲高密度封装制造商都主要使用ABF材料，非常完善、稳定的。这种平面度是高密度成像、显影以及蚀刻所必需的。因此，如果使用层压板和半固化片，20微米被认为是适合的尺寸；20微米以下时，必须使用工程液体或薄膜。
不同类型的液体电介质非常平整，这就是玻纤作为中介板如此流行的原因之一。
Amla：确实如此，如果低于20微米，不能使用玻纤增强材料。在芯片封装领域，在做8微米的走线和6微米的电介质，这基本上只有在薄膜上才可能实现。在主流高速领域，这是不可能发生的，唯一的原因就是损耗。我们测算发现，如果用20微米的走线，损耗远远超出任何预算。另外，为什么要这么做？并没有空间限制（应用上并不计划将这些高密度板放入主板）。但是，就目前而言，3mil或4mil是人们正在寻求的高速PCB介电间距。
在移动电话方领域已经开始使用半加成工艺，采用35微米的走线，电介质仍为2mil。但是对于芯片封装，必须是薄膜。制造商仍然遇到翘曲和其他方面的问题，这是研发方向。
Ritchey：我在这里补充一些信息，我们并没有动力设计走线小于4mil的高速电路板。事实上，结果并不好，也就是说并不需要小于4mil的介质。
Holden：现在，在处理芯片级封装和0.5mm及以下间距时不能做的是使用2 mil或更小的走线。但是一旦布线到了外面，就有了空间，他们就会把走线扩大到3~4mil，以完成布线。所以，也许这就是他们应该宣传的点，而不是生产2mil的走线。
Ritchey：这意味着封装内部的阻抗将发生巨大变化。在使用的数据速率下，我们必须有50欧姆的传输线一直布到芯片中，所以改变封装中的走线宽度不是一个选项。
Shaughnessy：从调查中发现，层压板是一个问题。他们或不能信任其数据表，或不了解属性，或者两者都不了解。
Amla：现在，人们正在尝试模拟材料。找出材料的剪切模量、CTE、X轴、Y轴及Z轴的特性，而数据表只公布了一个数据点。问题是必须有一个计算引擎，可以帮助预测多种配置的属性，帮助客户运行这些仿真，并获得焊点可靠性、CTE、Z轴扩展等一整套性能——因为现在拥有的是数据表中的单点估计，而且供应商不可能做那么多的测试来囊括所有数据要求。
例如，现在您正在构建此PCB。数据表显示CTE为40ppm/℃。你用1078，78%来构建PCB，会发现CTE是85。“发生了什么？”结论是，你不能相信这些数据，不能把层压板当作硅或任何其他各向同性均质材料。硅是硅，其CTE为2.6 ppm/℃，且不会随着不同的构型而改变；但复合材料其复合结构的性能是其组成部分的函数。这是导致很多困惑和纠纷的源头，因为人们不理解这些是复合材料。这些复合材料含有玻纤，比树脂硬20倍。还有是玻璃化转变，所有特性都会起作用。问题的根本原因在于大多数人只了解问题的一些细节，不能全面看待问题。
Barry Matties：Tarun，我们听到的一件事是，某种材料的性能规格是最优的，但实际性能却与实验室数据不同。听起来正如你所述。
Amla：在性能规范中，信息是给定的，需要综合考虑。比如，你想要达到一定的介电间距，要求使用X轴和Y轴CTE均低的层压板，而供应商开发了这种材料。
但是当生产PCB时，要求其CTE不能有太大的变化。在X轴和Y轴方向上仍然约为18.5，计划是降低电路板的CTE，以提高焊点可靠性。但设计师没有意识到，如果电路板中有大量铜，那么铜将占主导地位，它比电介质强得多、硬得多，通过改变电介质的特性可能仍然不足以降低CTE。所以，当你把所有这些东西组合在一起时，必须了解其物理学原理。
并不是说层压板制造商未提供相关信息，他们给了你想要的确切信息，但这并不意味着层压板的特性会转移到电路板上，因此需要仿真工具，而这正是Avishtech所要做的。
这就是导致所有问题的原因。每家层压板制造商都会花费大量的时间和精力来测试并尽其所能提供正确的数据，问题在于如何使用这些数据。
Matties：在制造之前要考虑的关键问题之一是计算。
Amla：是的。这就是对数据感到沮丧的原因，因为人们正在做基于模型的工程设计。大型国防承包商正在建立有限元分析和其他模型。当他们要求某些数据时，比如层压板的剪切模量或Z轴模量，找不到相关数据。没有很好的方法来测量这些特性，也不是针对每个配置或叠层。在进行计算之前无法获取这些数据，因此需要预测数据的计算工具。
同样地，在数据传输方面，正如Lee所说，PAM2对于每个信道56G来说很好。但是，当转到PAM4时，所需要的是低至每英寸0.7dB的低损耗要求。即使铜的粗糙度为零，即使是在零损耗电介质上做的走线，它也会消耗掉0.7dB/英寸的预算。到目前为止，在112 Gbps PAM4的速度下，这就是极限所在。也就是说，铜的粗糙度要低于0.06微米RMS。
Ritchey：解决这个问题的方法之一是在那些长路径上使用twinax。我在服务器上看到过这种材料；长路径不在电路板中。曾在DesignCon上看到过Samtec的展位，他们有一整套的连接器都是针对这个目标的，因为我们还没有将玻纤布层压的损耗切线降到足够低的水平。twinax里没有玻纤，而是泡沫PTFE，具有惊人的低损耗。
我们称之为NRZ的电路板成功地达到了每秒56G的速度，这正是互联网的重点。我们遇到的问题是PAM4，在相同的时钟频率下，PAM4会使数据速率加倍，但信号更小，没有以前的损耗或歪斜裕度。这就是我们现在要解决的问题。
Matties：听起来设计师在建模和做出所有决定前面临巨大的挑战。Tarun，你是说有些数据点不存在或不可用？
Amla：尤其在国防领域，正试图对此进行建模，并试图为任何需要这些数据的应用提供越来越紧凑的设计。同样的事情也发生在他们希望获得这些信息的通信端。这是一种多学科的方法，在基于模型的工程中正在形成，但他们没有建模所需的所有数据。基本上，人们开始关注这些并意识到不可能拥有一切，这是件好事。正如你所说，有些OEM设置了20次回流焊的限制，这可能更多的是出于学术好奇心，而不是真正的需求。“如果能通过20次回流焊，肯定不会失败”，却不知这会埋下其他失败隐患。
Ritchey：这涉及机械方面。航空客户也正在做一些目前无法真正做到的事情。例如，设计3层堆叠的微通孔，这肯定会失效。
Shaughnessy：这是因为所有的压力都在这一点上吗？我知道IPC导通孔失效委员会仍在研究在实验室通过而在现场失效的堆叠通孔。
Ritchey：嗯，这是因为3层层压板会膨胀，温度会导致堆叠的通孔或底部贯穿微通孔与铜层之间产生应变。当加热PCB时，应力会拉住导通孔，然后把它拉松。所以，当PCB运行后变热出现故障时，只要把它拔出来，放在室温下就又可以正常工作。这类问题我们称之为橡皮筋板，其发送到现场会失效，再返回实验室，又是合格的。这就是Tarun所说的，我们必须弄清楚如何建模。
Matties：行业如何为下一步做准备？
Ritchey：PCB回流焊的次数绝不应超过两次。6~10次只是一种观察失效可能会达到具体严重程度的方法。
Amla：就像Lee所说的，如果PCB两面都有元件，则每面都需要一次回流焊。返工就意味着电路板的可靠性受到损害。安全系数为6次以内，10次是许多公司的要求。
Matties：这是有道理的。但要想实现这一目标，制造行业应该考虑什么？他们如何做好准备？
Ritchey：这个问题至少有两个答案。在我所在的行业中，使用的层压板都没有任何可靠性问题。如何在能承受损耗的地方保持损耗，如何保持最小偏差？2013年，仍然有两个产品，不知道为什么没有把它们变成一个产品，当我们用这些产品制作测试板时，无法测量任何歪斜。当时，我想，多数人都没有注意到歪斜。Isola并没有从中创造出产品，我想我们会找到可以实现这个目标的材料。是这样吗，Tarun？
Amla：是的，与Isola所做的任何事情根本不同，这正是我们在Thintronics所做的。
Shaughnessy：你会给即将进入这个行业的年轻设计师和设计工程师什么建议？如果他们想了解更多关于材料特性和高速设计的知识，你会对他们说什么？
Amla：尝试进入其他学科。如果你想成功，就要了解对方在做什么，因为这对你来说非常重要。不要只是停留在自己的世界，“我之所以这么做，是因为我是一名电气工程师。我不想知道所有其他参数是什么，以及涉及哪些其他学科。” 我不想贬低任何其他学科，但工程师的优势在于触类旁通，如果你了解变压器，你就了解齿轮，对吧？因为它们是类似的系统。
尽可能多地学习。将相同的工程原理应用于不同的问题，这并不难。一旦你做到这一点，你的价值就会增加。所以，了解其他人在做什么，并尽可能地去理解如何做。这并不意味着物理的电气工程原理与机械工程原理不同，基础数学是相同的，只是应用于不同的问题。
Ritchey：你需要了解制造过程，这样就不会要求制造那些无法生产的产品。在推出产品计划之前，要是提前了解堆叠微导通孔结构，就不会堆叠3层，所以现在必须弄清楚如何应对材料问题。我总是把大约一半的时间花在产品制造方面，我在世界各地参观过许多家制造厂，现在仍然在做这件事。我想知道极限在哪里、如何解决问题。任何设计产品的人都必须了解制造过程。
Matties：是的。我仍然相信，在某种程度上，人工智能会以一种更强大的方式参与设计过程，工具制造商正在为此展开竞争。
Ritchey：这让我想起Gene Amdahl很久以前说的话，现在同样适用。Amdahl是第一家成功与IBM竞争的计算机制造商，生产了一款性能高于IBM的全集成电路产品。在新闻发布会上，一名记者问道：“你难道不担心你的计算机制造速度如此之快，以至于取代思维吗？”Gene回答说：“女士，你似乎不明白的是，我们制造的是速度极快的白痴。”这就是人工智能。
Matties：要了解制造业，就必须了解所有这些信息。人工智能不会取代人类，但将改变人类与工具交互的方式。工具所做的工作并不意味着人类将失去对一切的掌控。
Ritchey：是的。人工智能是人类制造的，它只会和制造它的人类一样好。
Matties：我仍然认为在不久的将来会有一种能够改变设计动态的工具。我可能错了，但我们确实听说了。
Amla：我也希望如此。
Ritchey：当你看到时，能给我发封电子邮件吗？
Matties：只是传闻，我只信眼见为实。
Amla：真正的人工智能，像Stephen Wolfram所论并没有发生，人们现在所做的就是“曲线拟合”。我们谈论的不是真正的人工智能，也不是像细胞自动机这样的突发现象。如果你对人工智能持乐观态度，那是件好事，但过程将是艰难的。
Matties：你认为行业会很快在设计工具方面取得AI突破吗？
Amla：Ray Kurzweil说，几年后，我们将会取得突破，但这意味着需要尽快完成许多工作。
Ritchey：我们讨论了每秒56G，问题是，“我们为什么不把时钟频率提高一倍呢？”这里有一点数学知识。以每秒56G的速度，一个比特周期比20皮秒小一点，这意味着上升时间要在10皮秒以下，而这取决于硅的极限。
Amla：没错。
Ritchey：这就是目前的困境。我们一直在做，做，做，现在已经到了I/O晶体管不能变化那么快的境地。我想把时钟频率提高一倍，我很惊讶我们这么快就完成了，因为这是一个28千兆赫兹的时钟。这是一个非常高的微波频率，世界上其他地方都称之为射频微波，我们称之为数字微波，这是非常惊人的。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
