Ключевые факторы, влияющие на характеристический импеданс печатных плат, и практические решения

Для соответствия требованиям развития, таким как миниатюризация, оцифровка, высокая частота и множественная функциональность, металлические провода на печатных платах (PCB) как соединительные устройства в электронном оборудовании не только определяют открытие потока тока, но также играют роль линий передачи сигналов. Другими словами, электрическое тестирование, реализованное на печатных платах, отвечающих за передачу высокочастотных сигналов и высокоскоростных цифровых сигналов, должно подтверждать включение, выключение и короткое замыкание цепей с одной стороны. С другой стороны, оно также должно определять, что характеристический импеданс никогда не должен выходить за регулируемый диапазон. Одним словом, печатная плата никогда не достигнет соответствия требованиям, если оба требования не выполнены.

Цепная производительность, предоставляемая печатными платами, должна обеспечивать, что отражение не произойдет в процессе передачи сигналов; сигналы сохраняют целостность; потери передачи снижены с достижением согласования импеданса. Следовательно, сигналы передачи могут быть достигнуты целиком, надежно и точно без помех или шума. Эта статья фокусируется на контроле характеристического импеданса многослойных плат с микрополосковой структурой.

Поверхностная микрополосковая линия и характеристический импеданс

С высоким характеристическим импедансом, поверхностная микрополосковая линия широко применяется в производстве печатных плат. Сигнальный слой устанавливается как внешний слой, контролирующий импеданс, и изолирующий материал используется для разделения сигнального слоя и его смежной референтной плоскости, что можно четко увидеть на изображении ниже.

Характеристический импеданс может быть вычислен через формулу: .

в которой Z₀ относится к характеристическому импедансу; εᵣ — к диэлектрической постоянке изолирующего материала; h — к толщине изолирующего материала между трассами и референтной плоскостью; w — к ширине трасс; t — к толщине трасс. На рисунке ниже четко демонстрируется значение каждого параметра.

На основе формулы, показанной выше, можно заключить, что элементы, влияющие на характеристический импеданс, включают:
a. Диэлектрическая постоянка изолирующего материала (εᵣ);
b. Толщина изолирующего материала (h);
c. Ширина трасс (w);
d. Толщина трасс (t).

Можно дальше заключить, что характеристический импеданс тесно связан с материалом подложки (материалом CCL). Таким образом, множество соображений должны быть приняты в выбор материала подложки.

Диэлектрическая постоянка и ее эффекты

Диэлектрическая постоянка материала измеряется производителями материалов, когда частота падает под 1 МГц. Даже один и тот же тип материала может отличаться друг от друга, когда они производятся разными производителями из-за разного содержания смолы. Возьмем стеклоэпоксидную ткань как пример. Соотношение между диэлектрической постоянной стеклоэпоксидной ткани и частотой может быть обобщено в следующую фигуру.

Очевидно, диэлектрическая постоянка снижается по мере повышения частоты. Поэтому диэлектрическая постоянка изолирующего материала должна определяться согласно рабочей частоте материала, и среднее значение способно удовлетворить обычные требования. Скорость передачи сигналов будет уменьшаться по мере роста диэлектрической постоянки, поэтому диэлектрическая постоянка должна быть снижена, если требуется высокая скорость передачи сигналов. Кроме того, высокий характеристический импеданс должен быть обеспечен для высокой скорости передачи, что затем зависит от материала с низкой диэлектрической постоянкой.

Ширина и толщина трасс

Ширина трассы — один из самых влиятельных элементов, влияющих на характеристический импеданс, и Рисунок 4 ниже демонстрирует соотношение между характеристическим импедансом и шириной трассы.

На основе Рисунка 4 можно заключить, что при изменении ширины трассы на 0.025 мм, импеданс будет впоследствии изменен на 5-6 Ом. В практическом производстве печатных плат, однако, если медная фольга с допуском ширины 18 мкм выбрана как сигнальный слой для контроля импеданса, допустимый допуск ширины трассы составляет ±0.015 мм. Если выбрана медная фольга с допуском ширины 35 мкм, допустимый допуск ширины трассы составляет ±0.003 мм. В заключение, изменение ширины трассы приведет к драматическому изменению импеданса. Ширина трассы проектируется проектировщиками на основе множественных требований проектирования и должна не только удовлетворять требование к токонесущей способности и повышению температуры, но и приводить импеданс к ожидаемому значению. Поэтому ширина трассы должна быть обеспечена совместимой с требованием проектирования и в пределах допустимого допуска.

Толщина трассы также должна определяться согласно требуемой токонесущей способности и допустимому повышению температуры. В производстве толщина покрытия в среднем составляет 25 мкм. Толщина трассы равна сумме толщины медной фольги плюс толщина покрытия. Следует отметить, что поверхность трассы должна быть очищена перед гальваникой для устранения загрязнений. Иначе толщина трассы может страдать от неравномерности, что затем влияет на характеристический импеданс.

Толщина изолирующего материала

На основе формулы, представленной выше для вычисления характеристического импеданса, можно заключить, что характеристический импеданс прямо пропорционален натуральному логарифму толщины изолирующего материала (h). После этого, чем больше «h» становится, тем больше «Z₀» будет. Таким образом, толщина изолирующего материала также является критическим элементом, определяющим характеристический импеданс. Поскольку ширина трассы и диэлектрическая постоянка материала были определены до производства, а толщина трассы может рассматриваться как твердое значение, это первичный метод контроля характеристического импеданса через контроль толщины ламинирования. Соотношение между толщиной трассы и характеристическим импедансом может быть обобщено в следующую фигуру.

Из этой фигуры можно указать, что при увеличении толщины на 0.025 мм, характеристический импеданс будет изменен на 5-8 Ом. Однако в производственном процессе печатных плат огромное изменение может быть вызвано изменением каждой толщины ламината. На деле, препрег с разными типами выбирается как изолирующий материал в производстве, и толщина может быть определена количеством препрега. Возьмем микрополосковую линию как пример. Рисунок 3 может быть использован для определения диэлектрической постоянки изолирующего материала на основе соответствующей рабочей частоты, после чего характеристический импеданс может быть вычислен. После этого, в соответствии с шириной трассы и вычисленным значением характеристического импеданса, Рисунок 4 может быть использован для вычисления толщины изолирующего материала, на основе которого тип и количество препрега могут быть выведены на основе толщины CCL и медной фольги.

В соответствии с Рисунком 5 выше, показано, что микрополосковая структура обладает более высоким характеристическим импедансом, чем полосовая структура с изолирующим материалом одинаковой толщины. В результате микрополосковая структура является предпочтением для высокочастотной и высокоскоростной передачи цифровых сигналов. Кроме того, характеристический импеданс растет с улучшением толщины изолирующего материала. Следовательно, когда речь идет о высокочастотных цепях с строгим характеристическим импедансом, толщина изолирующего материала CCL должна поддерживать строгий допуск, который обычно составляет 10% максимум. Для многослойных плат, однако, толщина изолирующего материала также является производственным параметром, поэтому она также должна быть строго контролирована.

В заключение, даже незначительное изменение в плане ширины трассы, толщины трассы, диэлектрической постоянки и толщины изолирующего материала может привести к изменению характеристического импеданса. Помимо этих элементов, он тесно связан с большим количеством элементов. Поэтому это значительной необходимости для производителей быть полностью осведомленными об элементах, вызывающих изменения характеристического импеданса, и регулировать производственные параметры так, чтобы характеристический импеданс мог быть сохранен в пределах приемлемого диапазона.

PCBCart способен производить печатные платы с допуском импеданса, контролируемым в диапазоне ±5% - ±10%. Хотите узнать, сколько стоит привести ваш custom дизайн в реальные платы? Используйте наш онлайн калькулятор цен печатных плат, чтобы получить вашу цену печатных плат за секунды.

Полезные ресурсы:
• Контроль импеданса в проектировании печатных плат высокоскоростных цифровых цепей
• Контроль импеданса виа и его влияние на целостность сигнала в проектировании печатных плат
• Соображения по импедансному дизайну для гибко-жестких печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество вариантов добавленной стоимости
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки