Ключевые стратегии проектирования импеданса для гибко-ригидных печатных плат

По мере быстрого развития электронных изделий рынок требует всё более высоких требований к гибко-ригидным печатным платам (flex-rigid PCB) и печатным платам с контролем импеданса одновременно с всё более строгими требованиями к ним. Главная проблема гибко-ригидной платы с требованием к импедансу — большая разница между измеренным и расчётным значением, достигающая более 20 Ом, что приводит к неудаче компенсации дизайна и трудности контроля производства. Статья обсуждает, как обеспечить строгую точность контроля импеданса с точки зрения проектирования печатных плат, и ожидает быть полезной для специалистов индустрии производства печатных плат.

Анализ контроля импеданса

Ведущие элементы, влияющие на импеданс: диэлектрическая постоянная, толщина диэлектрика, ширина трассы и толщина меди.

На основе поперечного сечения, когда практические данные сечения применяются в моделях, разница между расчётным значением и практическим измеренным значением, полученным прибором импеданса, лежит в диапазоне 14–33 Ом, суммировано в таблице ниже.

Теоретическое значение (Ом)	Измеренное значение (Ом)	Разница (Ом)
113	143	30
109	134	25
95	112	17
93	107	14
120	153	33
110	139	29
96	119	23
95	116	21
125	153	28
110	141	31
100	123	23
90	110	20
124	151	27
112	137	25
104	123	19
95	113	18

На основе показанных различий, слишком большая разница между теоретическим и измеренным значением, возможно, по следующим причинам:

В инженерном дизайне доступ некорректно подставлен в параметры программного обеспечения.

Согласно факторам, влияющим на импеданс, и данным поперечного сечения, возможно, только диэлектрическая постоянная приводит к неточному доступу. Основываясь на комбинированном понятии диэлектрической постоянной, известно, что диэлектрическая постоянная материала подложки печатной платы — комплексный результат диэлектрической постоянной диэлектрического материала в подложке, который можно приблизительно показать как взвешенную сумму диэлектрической постоянной смолы в диэлектрике и диэлектрической постоянной усилительного материала. Для гибкого материала он состоит из клея и PI (полиимида). Таким образом, диэлектрическая постоянная гибкого материала — комплексная диэлектрическая постоянная как клея, так и PI.

Дизайн измерительного модуля некорректен для печатной платы.

В процессе проектирования импеданса измерение импедансной линии обычно включает дизайн линии передачи и опорной плоскости, и должно гарантироваться, что определённое расстояние может быть поддержано между медным краем опорной плоскости и импедансной линией. В данной ситуации расстояние всего 0,5 мм, что может быть слишком мало, приводя к полному игнорированию этой опорной плоскости.

• Экспериментальная схема

Шаг 1: инженерные данные проектируются для верификации:
i. Влияние медной фольи передачи на импеданс при добавлении или не добавлении в измерительный модуль.
ii. Влияние расстояния между краем медной фольи и импедансной линией в измерительном модуле. Горизонтальное расстояние между краем дизайна и импедансной линией соответственно 0,5 мм и 4,5 мм.
iii. Дизайн измерительного модуля определяет влияние сетчатой опорной плоскости и медной фольи опорной плоскости на импеданс.

Шаг 2: Гибкая плата изготавливается и импеданс гибкой платы измеряется.

Шаг 3: Доступ поперечного сечения подставляется в теоретический импеданс модуля вычислений и вычисляется согласно комплексному диэлектрическому коэффициенту диэлектрического материала для устранения ошибок, вызванных доступом.

Шаг 4: Выводы делаются через сравнение данных: метод доступа параметров и правила дизайна измерительного модуля.

• Экспериментальные результаты

1. Согласно экспериментальной схеме с добавлением и без добавления медной фольи передачи в измерительный модуль, исходные данные измерений показывают, что импеданс приводит к такой малой разнице между добавлением и не добавлением медной фольи передачи. Можно заключить: никакое влияние не оказывается на импеданс, добавляется медная фолья передачи или нет.
2. Согласно экспериментальной схеме, основанной на расстоянии между краем медной фольи опорной плоскости и импедансной линией, разница импеданса настолько мала, что можно заключить: расстояние между краем медной фольи опорной плоскости и импедансной линией не влияет на импеданс.
3. Согласно экспериментальной схеме, основанной на сетчатой и медной фольи модуле для измерительной модуля опорной плоскости, можно заключить: импеданс будет драматически влияться, когда измерительный модуль опорной плоскости спроектирован как медная фолья и сетка.
4. Согласно экспериментальной схеме касательно разных ширин трасс, сеток и медных фольи модулей с разными размерами, можно заключить: когда сетка спроектирована как опорная плоскость, она ассоциируется с остаточным коэффициентом меди. Чем выше остаточный коэффициент меди, тем меньше разница она приведёт с медной фольёй. Чем ниже остаточный коэффициент меди, тем выше разница она приведёт с медной фольёй. Поэтому, когда сетка используется как опорная плоскость, медь должна быть покрыта на опорной плоскости, совместимой с позицией импедансной линии.
5. Согласно практическому дизайну измерительного модуля, доступ поперечного сечения подставляется в модуль для вычисления теоретического импеданса, который затем сравнивается с практическим измеренным импедансом. Поскольку гибкий материал состоит из клея и PI, диэлектрическая постоянная гибкого материала должна быть комплексной диэлектрической постоянной обоих компонентов или одиночная диэлектрическая постоянная приобретается через применение программного обеспечения для расчёта импеданса. На основе предыдущих экспериментальных результатов можно заключить: диэлектрическая постоянная PI = 2,8, а клея = 3,5. В результате, при подстановке данных в программу для расчёта, точность диэлектрической постоянной будет верифицирована.

Рассмотрения проектировщика гибко-ригидных печатных плат по проектированию импеданса

Рассмотрение №1: Опорная плоскость должна быть сетчатой и медной фольёй.

На основе экспериментальных результатов можно заключить: инженерный дизайн на основе медной фольи опорной плоскости способен удовлетворить требования импеданса гибко-ригидной печатной платы. Когда спроектирована сетчатая опорная плоскость, чем больше сетка, тем больше разница она сгенерирует между импедансом сетки для минимального остаточного коэффициента меди и импедансом медной фольи, а чем меньше сетка, тем меньше разница между импедансом сетки для максимального остаточного коэффициента меди и импедансом медной фольи.

В заключении, дизайн сетки как опорной плоскости тесно связан с размером сетки, то есть остаточным коэффициентом меди. Чем выше остаточный коэффициент меди, тем меньше разница будет между ним и импедансом медной фольи и теоретическими дизайн-данными. Чем ниже остаточный коэффициент меди, тем больше разница будет между ним и импедансом медной фольи и теоретическими дизайн-данными. В результате, когда сетка выбрана как опорная плоскость, медь должна быть покрыта на опорной плоскости, соответствующей позиции импедансной линии.

Рассмотрение №2: Импеданс гибко-ригидной печатной платы должен проектироваться с учётом функционала добавления программного обеспечения расчёта импеданса.

По сравнению с обычным программным обеспечением расчёта импеданса, программное обеспечение с функционалом добавления содержит функцию приобретения доступа для каждого срединного слоя и выполняется более точно в приобретении доступа. Кроме того, проще симулировать практические ситуации и удобнее применять для инженерного дизайна.

Рассмотрение №3: Диэлектрическая постоянная каждого отдельного слоя приобретается на гибко-ригидной плате.

Можно верифицировать на основе полноразмерных экспериментов, что диэлектрическая постоянная PI = 2,8, а клея = 3,5, что можно использовать как референс для проектировщика гибко-ригидной платы. Теоретический расчёт данных на основе применения программного обеспечения расчёта импеданса с функционалом добавления способен удовлетворить спрос клиентов гибко-ригидных печатных плат.

PCBCart может производить гибко-ригидные печатные платы с строгим контролем импеданса

Основанная в 2005 году, PCBCart с тех пор предоставляет услуги производства гибко-ригидных печатных плат с гарантированным качеством. Мы обеспечиваем строгий контроль импеданса на каждой гибко-ригидной печатной плате. Если вам нужно любое изготовление гибко-ригидных печатных плат, обращайтесь к нам для практического и стоимостно-эффективного решения.

Полезные ресурсы:
• How to Analyze and Prohibit Impedance of High-Speed PCB Power
• Elements Affecting Characteristic Impedance of PCB and Solutions
• PCBCart Offers Advanced Flex-rigid PCB Fabrication Services Starting from 1pc