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            PCB線路板工藝對阻抗控制的影響及解決方法

            2021-07-10

            中國正處于以經濟建設為中心、改革開放的良好局面。電子產業年增長率將超過20%,印刷電路板產業對整個電子產業的依存度將超過20%。世界電子工業的技術革命和產業結構的變化給印刷電路的發展帶來了新的機遇和挑戰。隨著電子設備小型化、數字化、高頻化和多功能化的發展,印刷電路作為電子設備電氣互連中的金屬線,不僅是電流問題,更是信號傳輸線的作用。也就是說,對PCB進行高頻信號和高速數字信號傳輸的電氣測試,不僅要測量電路的通斷和短路是否符合要求,還要測量特性阻抗值是否在規定的合格范圍內。只有這兩個方向合格,電路板才能滿足要求。
            PCB線路板
            印刷電路板所提供的電路性能必須能使信號傳輸過程中無反射現象,保持信號完整,降低傳輸損耗,起到匹配阻抗的作用,從而得到完整、可靠、準確、無噪聲的傳輸信號。本文討論了表面微帶線結構多層板的特性阻抗控制問題。

            1.表面微帶線及特性阻抗

            表面微帶線的特性阻抗高,在實際中應用廣泛。它的外層是控制阻抗的信號線平面。它被絕緣材料與相鄰的基準面隔開

            A.微帶

            Z={87/[sqrt(ER+1.41)]}ln[5.98h/(0.8W+T)],其中W為線寬,T為銅片厚度,h為線到基準面的距離,ER為PCB材料的介電常數。只有當0.1<(w/h)<2.0和1<(ER)<15時,才能應用此公式。

            B帶狀線

            Z=[60/Sqt(ER)] Ln {4H/(0.67π(0.8W+T)}},其中H是兩個參考平面之間的距離,線位于兩個參考平面的中間。該公式僅適用于w/h<0.35和T/h<0.25的情況

            由公式可知,影響特性阻抗的主要因素是(1)介電常數Er,(2)介電厚度h,(3)線寬W,(4)銅厚度T。因此,特性阻抗與基板材料(覆銅板)密切相關,因此基板材料的選擇在PCB設計中非常重要。

            2.材料的介電常數及其影響

            材料的介電常數由材料制造商確定,頻率為1MHz。不同制造商生產的同一種材料因其樹脂含量不同而不同。以環氧玻璃布為例,研究了介電常數與頻率變化的關系。介電常數隨頻率的增加而減小,因此在實際應用中,材料的介電常數應根據工作頻率來確定。一般情況下,平均值能滿足要求。信號在介質材料中的傳輸速度會隨著介電常數的增加而降低,因此,要獲得較高的信號傳輸速度,必須降低材料的介電常數,同時必須利用高特性電阻來獲得較高的傳輸速度。

            3.線材寬度和厚度的影響

            線寬是影響特性阻抗變化的主要參數之一。以表面微帶線為例,說明了阻抗值與線寬的關系。從圖中可以看出,當導線寬度變化0.025mm時,阻抗值會變化5-6歐姆。在實際生產中,如果用18歐姆來控制信號線平面的阻抗μ,導體寬度變化的公差為±0.015mm,如果阻抗變化的公差為35μ,可以看出,生產中導體寬度的允許變化將導致阻抗值的很大變化。導線寬度由設計人員根據各種設計要求確定。既要滿足導線載流能力和溫升的要求,又要達到預期的阻抗值。這就要求生產者在生產中要保證線寬滿足設計要求,并使其在公差范圍內變化以適應阻抗要求。導線厚度也根據導線所需的載流量和允許的溫升來確定。在生產中,為了滿足使用要求,涂層的平均厚度為25μm。導線的厚度等于銅箔的厚度加上涂層的厚度。需要注意的是,在電鍍前,導線表面應保持清潔,修補板上不得有殘留物和油黑。結果,在電鍍過程中,銅沒有被電鍍,并且局部導體的厚度發生變化,從而影響特性阻抗值。另外,在刷板的過程中,注意不要改變導線的厚度,造成阻抗值的變化。

            4.中厚H的影響

            從公式中可以看出,特性阻抗與介質厚度的自然對數成正比。因此,介質厚度越厚,阻抗值越大。因此,介質厚度是影響特性電阻值的另一個主要因素。由于材料的線寬和介電常數在生產前就已經確定,線厚工藝要求也可以作為一個固定值,因此控制層壓板厚度(介電厚度)是生產中控制特性阻抗的主要手段。從圖中可以得到特性阻抗值與介質厚度變化的關系,從圖中可以看出,介質厚度變化0.025mm時,阻抗值變化+5-8歐姆。在實際生產過程中,每層允許厚度的變化都會導致阻抗值發生很大的變化。在實際生產中,選用不同類型的預浸料作為絕緣介質,并根據預浸料的數量確定絕緣介質的厚度。以表面微帶線為例:在生產過程中,可以參考圖,確定絕緣材料在相應工作頻率下的介電常數,然后用公式計算出相應的阻抗值。根據用戶的線寬值和計算出的阻抗值,通過圖表找出相應的介質厚度,然后根據覆銅板和銅箔的厚度確定半固化片的種類和數量。

            從圖中可以看出,在介質厚度和材料相同的情況下,微帶線結構的設計具有比帶狀線結構更高的特性阻抗值,一般要大20Ω-40Ω。因此,微帶結構多用于高頻高速數字信號傳輸。同時,特性阻抗隨著介質厚度的增加而增加。因此,對于特性阻抗值嚴格控制的高頻線路,對覆銅板的介電厚度誤差提出了嚴格的要求。一般來說,介質厚度的變化不超過10%。對于多層板來說,介質厚度仍然是一個加工因素,特別是與多層層壓加工密切相關,因此也要嚴格控制。

            5.結論

            在實際生產中,導線的寬度和厚度、絕緣材料的介電常數和絕緣介質的厚度稍有變化,就會引起特性阻抗值的變化。此外,特性阻抗值還與其他生產因素有關。因此,為了控制特性阻抗,制造商必須根據設計者的要求,了解影響特性阻抗值變化的因素,掌握實際生產條件,在允許的公差范圍內調整工藝參數,以獲得所需的阻抗值。

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