Элементы, влияющие на волновое сопротивление печатной платы и решений

Чтобы соответствовать требованиям развития, таким как миниатюризация, оцифровка, высокая частота и множество функций, металлические провода на печатных платах (печатных платах) в качестве соединительных устройств в электронном оборудовании не только определяют открытие тока, но также играют роль линии передачи сигналов. Другими словами, электрические испытания, проводимые на печатных платах, отвечающих за передачу высокочастотных сигналов и высокоскоростных цифровых сигналов, должны подтверждать включение, выключение и замыкание цепей, с одной стороны. С другой стороны, следует также определить, что волновое сопротивление никогда не должно выходить за пределы регулируемого диапазона. Одним словом, печатная плата никогда не будет соответствовать требованиям, если не будут выполнены оба требования.

Характеристики схемы, обеспечиваемые печатными платами, должны обеспечивать отсутствие отражения во время процесса передачи сигнала; сигналы остаются интегрированными; потери передачи могут быть уменьшены с достижением согласования импедансов. Следовательно, передача сигналов может быть достигнута целостно, надежно и точно, без помех или шума. В данной статье основное внимание уделяется контролю волнового сопротивления многослойных плат с микрополосковой структурой.

Поверхностный микрополосковый и характеристический импеданс

Благодаря высокому характеристическому импедансу поверхностные микрополоски широко применяются при изготовлении печатных плат. Сигнальная плоскость настроена как внешний слой, контролирующий импеданс, и изолирующий материал, используемый для разделения сигнальной плоскости и прилегающей базовой плоскости, что хорошо видно на изображении ниже.

Волновое сопротивление можно определить по формуле:.

в котором Z₀ относится к характеристическому импедансу; ε_r к диэлектрической проницаемости изоляционного материала; h к толщине изоляционного материала между дорожками и базовой плоскостью; w к ширине следов; t относится к толщине следов. На рисунке ниже наглядно показано значение каждого параметра.

На основании приведенной выше формулы можно сделать вывод, что элементы, влияющие на волновое сопротивление, включают:
a. Диэлектрическая проницаемость изоляционного материала (ε_r );
б. Толщина изоляционного материала (h);
c. Ширина следов (ш);
d. Толщина следов (t).

Далее можно сделать вывод, что волновое сопротивление тесно связано с материалом подложки (материал CCL). Таким образом, при выборе материала подложки необходимо учитывать множество соображений.

Диэлектрическая проницаемость и ее влияние

Диэлектрическая проницаемость материала измеряется производителями материалов, когда частота падает ниже 1 МГц. Даже один и тот же тип материала может отличаться друг от друга, если он производится разными производителями из-за разного содержания смолы. Возьмем, к примеру, стеклоткань с эпоксидной смолой. Зависимость между диэлектрической проницаемостью эпоксидной стеклоткани и частотой можно представить на следующем рисунке.

Очевидно, что диэлектрическая проницаемость снижается по мере увеличения частоты. Следовательно, диэлектрическая проницаемость изоляционного материала должна определяться в соответствии с рабочей частотой материала, а среднее значение соответствует обычным требованиям. Скорость передачи сигналов будет уменьшаться по мере увеличения диэлектрической проницаемости, поэтому диэлектрическая проницаемость должна быть уменьшена, если требуется высокая скорость передачи сигнала. Кроме того, необходимо обеспечить высокое характеристическое сопротивление для высокой скорости передачи, которая затем зависит от материала с низкой диэлектрической проницаемостью.

Ширина и толщина следов

Ширина дорожки является одним из наиболее важных элементов, влияющих на характеристический импеданс, и на рисунке 4 ниже показана взаимосвязь между характеристическим импедансом и шириной трассы.

На основании рисунка 4 можно сделать вывод, что при изменении ширины дорожки на 0,025 мм полное сопротивление будет изменяться на 5–6 Ом. Однако при практическом производстве печатных плат, если в качестве сигнальной плоскости для управления импедансом выбрана медная фольга с допуском ширины 18 мкм, допустимый допуск ширины дорожки составляет ±0,015 мм. Если выбрана медная фольга с допуском ширины 35 мкм, допустимый допуск ширины дорожки составляет ±0,003 мм. В заключение, изменение ширины дорожки приведет к резкому изменению импеданса. Ширина трассы рассчитывается разработчиками на основе множества требований к конструкции, и она должна не только соответствовать требованиям по току и повышению температуры, но и обеспечивать ожидаемое значение импеданса. Таким образом, ширина трассы должна быть совместима с проектными требованиями и находиться в допустимых пределах.

Толщина дорожки также должна определяться в соответствии с требуемой пропускной способностью по току и допустимым повышением температуры. При производстве толщина покрытия обычно составляет в среднем 25 мкм. Толщина дорожки равна сумме толщины медной фольги и толщины покрытия. Следует отметить, что поверхность следа должна быть очищена перед гальванопокрытием, чтобы можно было удалить загрязнения. В противном случае толщина дорожки может быть неравномерной, что затем повлияет на волновое сопротивление.

Толщина изоляционного материала

На основании приведенной выше формулы для расчета волнового сопротивления можно сделать вывод, что волновое сопротивление прямо пропорционально натуральному логарифму толщины изоляционного материала (h). После этого, чем больше становится "h", тем больше "Z₀ " будет. Таким образом, толщина изоляционного материала также является важным элементом, определяющим волновое сопротивление. Поскольку ширина дорожки и диэлектрическая проницаемость материала были определены до производства, а толщина дорожки может рассматриваться как твердое значение, это основной метод контроля характеристического импеданса за счет контроля толщины ламинирования. Соотношение между толщиной дорожки и характеристическим импедансом можно представить на следующем рисунке.

Из этого рисунка видно, что при увеличении толщины на 0,025 мм волновое сопротивление изменится на 5–8 Ом. Однако в процессе производства печатных плат изменение толщины каждого ламината может привести к огромным изменениям. На самом деле препрег разных типов выбирается в качестве изоляционного материала при производстве, а толщина может определяться количеством препрега. Возьмем, к примеру, микрополоски. Рисунок 3 можно использовать для определения диэлектрической проницаемости изоляционного материала на основе соответствующей рабочей частоты, после чего можно определить волновое сопротивление. Затем, в соответствии с шириной дорожки и рассчитанным значением волнового сопротивления, рисунок 4 можно использовать для определения толщины изоляционного материала, исходя из того, какой тип и количество препрега можно определить на основе толщины CCL и медной фольги.

В соответствии с рис. 5 выше показано, что микрополосковая структура имеет более высокое волновое сопротивление, чем полосковая структура с нанесенным изоляционным материалом той же толщины. В результате микрополосковая структура является предпочтительной для высокочастотной и высокоскоростной передачи цифрового сигнала. Кроме того, характеристика повышается с увеличением толщины изоляционного материала. Следовательно, когда речь идет о высокочастотных цепях со строгим характеристическим сопротивлением, толщина изоляционного материала CCL должна поддерживать строгий допуск, который обычно составляет не более 10%. Однако для многослойных плат толщина изоляционного материала также является производственным параметром, поэтому она также должна строго контролироваться.

В заключение, даже незначительное изменение ширины дорожки, толщины дорожки, диэлектрической проницаемости и толщины изоляционного материала может привести к изменению волнового сопротивления. Помимо этих элементов, он тесно связан с большим количеством элементов. Таким образом, производителям крайне необходимо полностью осознавать элементы, вызывающие изменения характеристического импеданса, и корректировать производственные параметры таким образом, чтобы характеристический импеданс можно было удерживать в допустимых пределах.

PCBCart может производить печатные платы с допуском импеданса, контролируемым в диапазоне ±5% - ±10%. Хотите узнать, сколько стоит воплотить ваш индивидуальный дизайн в настоящие доски? Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором цен на печатные платы, чтобы узнать цену вашей печатной платы за считанные секунды.

Полезные ресурсы:
• Контроль импеданса при проектировании печатных плат высокоскоростных цифровых схем
• Контроль импеданса переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат
• Рекомендации по проектированию импеданса для гибко-жестких печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 шт.