Контроль опору друкованої плати має вирішальне значення для високої-швидкості тависока-частотасхеми застосування. Для виробників друкованих плат забезпечення відповідності імпедансу вимогам конструкції стосується не лише цілісності сигналу, але й безпосередньо впливає на електромагнітну сумісність (EMC) і загальну надійність виробу.
Основні поняття керування імпедансом
Що таке імпеданс?
Імпеданс (Z) — це загальний опір струму в колі змінного струму, виміряний в Омах (Ом). Він складається з опору (R) і реактивного опору (X), де реактивний опір далі поділяється на індуктивний реактивний опір (XL) і ємнісний реактивний опір (XC). У лінії передачі друкованої плати імпеданс в основному залежить від таких факторів, як геометрична структура маршрутизації сигналу, діелектричні властивості матеріалів і частота.
Навіщо потрібен контроль імпедансу?
Для виробництва друкованих плат основною метою контролю імпедансу є забезпечення цілісності передачі сигналу, зменшення відображення та втрати сигналу, тим самим покращуючи продуктивність і стабільність електронних виробів. Під час передачі-високочастотного сигналу невідповідність імпедансу може призвести до:
Відбиття сигналу та дзвінок впливають на надійність високошвидкісних-сигналів;
Збільшення EMI (електромагнітних перешкод), що впливає на електромагнітну сумісність виробу;
Збільшення частоти помилок даних впливає на стабільність системи зв'язку;
Згасання сигналу посилюється, що впливає на ефективність-передачі на великі відстані
.
Вибір матеріалів для високо-частотних і високо{1}}швидкісних друкованих плат
Вибір матеріалів має вирішальне значення для високо-частотних і високо{1}}швидкісних друкованих плат. Загальні матеріали та їх характеристики такі:
FR4: звичайний матеріал для друкованої плати з низькою вартістю, але високим значенням Dk, підходить для середніх і низьких-швидкісних застосувань.
Rogers 4350B: низький Dk, низькі втрати, підходить для зв’язку 5G, мікрохвильових і радарних систем.
IsolaITeraMT40: низькі втрати, стабільне значення Dk, підходить для високо-передачі сигналу.
Panasonic Megtron 6: висока надійність, підходить для-високошвидкісних програм, таких як центри обробки даних і оптичні мережі.
Ключові фактори, що впливають на імпеданс у виробництві друкованих плат
У процесі виробництва друкованих плат до ключових факторів, що впливають на імпеданс, в основному входять ширина дроту, товщина міді, товщина діелектрика, діелектрична проникність (Dk), тип лінії передачі, вплив шару маски припою, точність вирівнювання міжшарового шару, керування процесом травлення тощо. Ці фактори разом визначають характеристики опору друкованої плати, тим самим впливаючи на цілісність сигналу та продуктивність системи. Нижче наведено детальний аналіз впливу цих факторів на виробництво друкованих плат.
1. Вплив ширини дроту на імпеданс
Ширина дроту визначає значення імпедансу, і чим вужча ширина, тим вищий імпеданс; Чим ширша ширина, тим менший імпеданс. Під час виробничого процесу наступні фактори можуть вплинути на кінцеву ширину дроту:
Процес травлення: бічна корозія може спричинити фактичне відхилення ширини, і компенсацію слід зарезервувати під час проектування.
Точність літографії: експозиція та проявлення впливають на контроль тонкої лінії таІЛРдрукована плата особливо критична.
Вплив товщини міді: чим товщий шар міді, тим очевидніша бічна корозія, тому для забезпечення стабільності імпедансу потрібна точна компенсація.
Загальний допуск імпедансу контролюється в межах ± 10%, але високо-додатки, такі як зв’язок 5G і високошвидкісні-сервери, можуть вимагати суворіших вимог, наприклад ± 5%.
2. Вплив товщини міді на імпеданс
Товщина міді (одиниця: унція, 1 унція=35 мкм) впливає на опір постійному струму та імпеданс змінного струму ліній електропередачі. Більш товста мідь зменшує опір, а також знижує імпеданс.
Товщина міді збільшується, імпеданс зменшується: опір та еквівалентна індуктивність зменшуються, що призводить до зменшення імпедансу.
При розрахунку імпедансу необхідно враховувати товщину міді: стандартна товщина міді зазвичай становить 0,5 унції (17,5 мкм), 1 унцію (35 мкм), 2 унції (70 мкм), а для -потужних друкованих плат може знадобитися 3 унції або більше.
Гальванопластика впливає на товщину зовнішнього мідного шару: товщина зовнішнього мідного шару багато{0}}шарових плат збільшиться через гальванопластику, і цей фактор потрібно враховувати під час розрахунку імпедансу.
3. Товщина діелектрика
Товщина діелектрика означає товщину ізоляційного шару між сигнальним шаром і опорним шаром заземлення/живлення. Це безпосередньо впливає на розподілену ємність і опір лінії передачі:
Збільшення товщини діелектрика призводить до збільшення імпедансу: більш товстий шар діелектрика збільшить відстань між сигналом і опорною площиною, тим самим покращуючи імпеданс.
Зміна товщини під час виробництва: через течію смоли під час процесу ламінування та стабільність ламінованої структури фактична товщина діелектрика може відрізнятися від проектного значення. Тому необхідно суворо контролювати процес ламінування, щоб забезпечити узгодженість імпедансу.
Проблема узгодженості в багатошарових-платах: для-друкованих плат високого рівня рівномірність товщини діелектрика між шарами має вирішальне значення. Якщо товщина нерівномірна, це призведе до неоднакового імпедансу в різних областях, що вплине на передачу сигналу.
4. Діелектрична проникність
Діелектрична проникність (Dk) визначає швидкість поширення сигналів у діелектричних матеріалах. Загальні значення Dk для підкладок друкованих плат такі:
Стандартний матеріал FR4: Dk ≈ 4,2~4,7
Високошвидкісні матеріали (такі як Rogers 4350B): Dk ≈ 3,48
Надвисокочастотні мікрохвильові матеріали (такі як Taconic RF35): Dk ≈ 3,5
Вплив Dk на імпеданс проявляється як:
Вищий Dk зменшує імпеданс: збільшення Dk збільшує розподілену ємність, тим самим зменшуючи імпеданс.
Залежність Dk від частоти: Dk FR4 зменшується зі збільшенням частоти, тоді як Dk високоякісних-матеріалів, таких як Роджерс, більш стабільний і підходить для високошвидкісного-проектування.
Узгодженість Dk у виробничому процесі: щоб забезпечити стабільність Dk, виробники друкованих плат зазвичай обирають підкладки із суворими допусками Dk (наприклад, ± 0,02) під час закупівлі матеріалів і проводять тестування Dk під час виробництва, щоб уникнути відхилення імпедансу.
5. Тип ЛЕП
Вплив різних типів конструкцій ліній електропередач на імпеданс різний, в основному включаючи:
Мікросмужкова лінія: маршрутизація сигналу розташована на самому зовнішньому шарі, з шаром діелектрика та шаром землі нижче. Розрахунок імпедансу відносно простий, але на нього легко впливають зовнішні фактори, такі як шари паяльної маски.
Стрічкова лінія: маршрутизація сигналу оточена двома шарами діелектрика, що робить діелектричне середовище більш однорідним і, отже, забезпечує кращу цілісність сигналу, що робить його придатним для високо-частотних додатків.
Копланарний хвилевід: поруч із сигнальною лінією є дріт заземлення для посилення ефекту екранування, підходить для радіочастотних та мікрохвильових ланцюгів.
У процесі виробництва різні лінії передачі мають різні вимоги до точності обробки. Наприклад, смугові лінії вимагають більшого контролю над товщиною діелектричного шару, тоді як копланарні хвилеводи вимагають постійного відстання між землею та сигнальними лініями, щоб забезпечити гарне узгодження імпедансу.
6. Вплив маскового шару припою
У мікросмужкових лінійних структурах наявність маскових шарів припою може впливати на ефективну діелектричну проникність (Dk-eff) маршрутизації сигналу, тим самим впливаючи на імпеданс:
Імпеданс друкованої плати без шару паяльної маски вищий, оскільки сигнал безпосередньо піддається впливу повітря, а Dk повітря становить ≈ 1.
Імпеданс друкованої плати з шаром паяльної маски зменшується, оскільки Dk шару паяльної маски зазвичай вищий, ніж у повітря (Dk ≈ 3,0~4,0), що знижує загальний імпеданс.
Щоб зменшити вплив паяльної маски на імпеданс, виробники друкованих плат можуть регулювати ширину маршрутизації або використовувати спеціальні методи компенсації імпедансу, наприклад, враховуючи Dk паяльної маски при розрахунку імпедансу.
7. Точність міжшарового вирівнювання
Під час виробництва багатошарових друкованих плат помилки вирівнювання (відхилення між шарами) між шарами можуть вплинути на узгодженість імпедансу:
Надмірне відхилення вирівнювання може вплинути на узгодження імпедансу смужкових ліній і диференціальних пар, що призведе до проблем із цілісністю сигналу.
Висока точність вирівнювання (в межах ± 25 мкм) може забезпечити постійний імпеданс, що зазвичай використовується у зв’язку високого-класу та виробництві радіочастотних друкованих плат.
Використання вдосконаленої технології оптичного вирівнювання (такого як лазерне вирівнювання) і обладнання для виявлення рентгенівських променів допомагає зменшити відхилення між шарами та забезпечити точність контролю імпедансу.
8. Контроль процесу травлення
Травлення є критичним кроком у виробництві друкованих плат, що впливає на кінцеву ширину лінії, форму краю та імпеданс
Підрізання: зменшує ефективну ширину лінії, тим самим збільшуючи імпеданс.
Лінійна оптимізація: вдосконалені процеси травлення, такі як V--подібні або трапецієподібні лінії, можуть зменшити зміни імпедансу та покращити цілісність сигналу.