Fiber weave skew and copper roughness : effects on transmission line performance on PCB

Abstract

Designing manufacturable high performing transmission lines is an essential part of modern electronics design work. This thesis focuses on interconnect design and simulation while also examining how materials and manufacturing affects the designed interconnect. The goal of this work is to find how big and what kind of effects different design and manufacturing variables have and how to be mindful of all the relevant factors during the design phase. Specific focus areas are fiber weave effect and losses caused by copper roughness. In this thesis theory behind transmission lines on PCB is outlined first along with different material properties and relevant material test methods. Effects of different design parameters and material properties are then examined through simulations and literature.

Accurate simulation of fiber weave skew with readily available simulation tools is difficult, but fiber weave skew itself can be mitigated with design choices. Copper roughness can be modelled with various models. Multiple different ways to represent copper roughness in the scope of PCB design exist. These various roughness representations are examined extensively through examples. Copper roughness was found to have significant effects on signal integrity and different roughness models were found to perform very differently.

Modernin elektroniikkasuunnittelun yksi keskeisistä osista on massatuotantokelpoisten korkean suorituskyvyn, siirtolinjojen suunnittelu. Tämä diplomityö keskittyy yhteyssuunnitteluun ja siirtolinjarakenteiden simulointiin piirilevyllä. Valmistusprosessien ja materiaalien vaikutuksia siirtolinjoihin tarkastellaan myös. Työn tavoitteena on selvittää Kuinka paljon ja millaisia vaikutuksia eri suunnittelu- ja materiaalivalinnoilla on sekä miten suunnittelija voi parhaiten ottaa eri seikat huomioon suunnittelun eri vaiheissa. Tarkemmin tarkasteltavat ilmiöt ovat kuparin pinnan karkeuden aiheuttamat häviöt ja piirilevyn eristemateriaalin lasikuitupunosrakenteen aiheuttama ajoitusvääristymä. Teoria piirilevyllä oleville siirtolinjoille on esitelty erilaisten materiaaliominaisuuksien ja materiaalien testausmenetelmien ohella ensin. Teoriaosuuden jälkeen eri suunnitteluparametrien ja materiaaliominaisuuksien vaikutuksia tutkitaan simulaatioiden ja kirjallisuuden pohjalta.

Lasipunosajoitusvääristymän simulointi helposti saatavilla olevilla simulointityökaluilla on haasteellista, mutta ilmiön aiheuttamia vaikutuksia on mahdollista pienentää erilaisilla suunnitteluratkaisuilla. Kuparin karkeuden mallintamiseen on tarjolla useita erilaisia simulointimalleja. Lisäksi kuparin karkeus voidaan esittää usealla eri tavalla. Erilaisia kuparin karkeuden esitystapoja piirilevykontekstissa on tarkasteltu kattavasti esimerkkien kautta. Kuparin karkeuden todettiin vaikuttavan signaalien vaimentumiseen merkittävästi ja eri karkeusmallien huomattiin palauttavan huomattavasti toisistaan poikkeavia tuloksia.