玻纤编织效应与 Zig-Zag 布线

概要：本文介绍了 PCB 设计中由于玻纤编织结构引发的电气性能问题——玻纤编织效应（Fiber Weave Effect），并解释了 Zig-Zag 等布线技术的原理与应用。文章从材料特性出发，分析了问题产生的原因，并提出了从材料选择与布线设计两方面的对策，帮助工程师优化高速信号的完整性。

参考文章

• https://blog.csdn.net/hanshuizhizi/article/details/120110575

• https://cdrdv2-public.intel.com/654621/an528.pdf PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing

1. 问题的根源

在一块板子上，出现了如下图这种奇怪的布线：

一般走线都是横平竖直的，且越短越好，也不像是绕线作等长的样子。实际上，这样的布线是为了应对玻纤编织效应（Fiber Weave Effect）。

1.1 材料结构分析

• PCB 的芯材（Core）和半固化片（Prepreg）的基体是玻璃纤维布。
• 玻璃纤维布由经纱和纬纱编织而成，纱线束之间有缝隙。
• 在压制 PCB 时，树脂会填充这些缝隙。这就导致了板材由两种介质构成：
  • 玻璃纤维束本身：介电常数（Dk）较高，约 6.0。
  • 树脂区域：介电常数较低，约 2.5-3.5。
• 最终，板材的有效介电常数（Dk）是这两者的一个平均值（例如 FR-4 的标称 Dk 约为 4.2-4.5）。

不同类型的纤维编织图：

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2. 效应如何产生

当非常高速的信号线（特别是微带线）恰好平行并对齐于玻璃纤维束行走时，会出现下列两种情况：

• 情况 A：信号线一直在“玻璃”上方行走 → 感受到的 Dk 较高 → 信号传播速度慢 → 延时大。
• 情况 B：信号线一直在“树脂”上方行走 → 感受到的 Dk 较低 → 信号传播速度快 → 延时小。

如果 PCB 走线恰好是笔直的，并且与玻纤布编织方向平行，那么整条走线就会处于情况 A 或情况 B，导致整体的相位常数不一致。更糟糕的是：

• 当差分对中的一条线处于“玻璃”上，另一条处于“树脂”上时，会产生巨大的时延差（Skew） 和 阻抗不连续，严重破坏信号完整性。

• 差分线分别处于树脂和玻璃纤维上图示
  

2.1 简单比喻

就像一辆车在一条由 混凝土（玻璃） 和 沥青（树脂） 交替铺成的笔直车道上行驶，车速会因路面材质不同而不断变化，导致到达时间难以预测。

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3. 避免玻纤编织效应的核心策略

核心原则：打破走线与玻纤编织方向的一致性，使走线感受到的介电常数是“玻璃”和“树脂”的统计平均值，从而均匀化电气特性。

3.1 策略一：从板材入手（最有效但成本较高）

3.1.1 使用非玻纤编织的基材

适用于极高频率的应用（如 77GHz 汽车雷达）：

• 聚四氟乙烯（PTFE）陶瓷填充材料
  • 代表厂家：Rogers（罗杰斯）RO3000 系列
  • 特点：均匀陶瓷 PTFE 复合材料，不存在编织效应
• 液晶聚合物（LCP）材料
  • 特点：具有非常均匀的电气性能

3.2 策略二：从设计布局入手（成本低，设计上实现）

若必须使用标准 FR-4 材料，则可通过以下技巧规避玻纤编织效应：

3.2.1 改变走线角度（常用且有效）

• 核心思想：避免走线与玻纤方向成 0° 或 90°
• 推荐做法：
  • 将走线方向与板材的经纬向偏转角度
  • 通常推荐偏转 10°~15°，有时使用 7.5°
  • 一般选择 10° 即可满足绝大多数板材需求
• 原理：
  • 斜向走线会快速交替跨过“玻璃”和“树脂”区域
  • 在单位长度内实现 Dk 的平均化
  • 将局部波动转化为整体微小扰动

3.2.2 使用锯齿状或曲线走线（Zig-Zag）

• 方式：将高速线故意走成轻微的锯齿形（Serpentine）或曲线
• 原理：同样是打破走线与玻纤方向的一致性，使其不断穿越不同介质区域

⚠️ 注意：此方法可能稍微增加线长，需注意时序控制

示例图：

3.2.3 PCB设计工具设置（以 Allegro 为例）

设置界面示意：