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    PCB電路板加工對阻抗控制影響和解決方法

    發布日期:2021-12-27 13:22:04  |  關注:28

           我國正處在以經濟建設為中心和改革開放的大好形勢下,電子工業的年增長率會超過20%印刷電路板工業依附整個電子工業也會隨勢而漲,而且超過20%的增長速度。世界電子工業領域發生的技術革命和產 業結構變化,正為印刷電路的發展帶來新的機遇和挑戰。印刷電路隨著電子設備的小型化、數字化、高頻化和多功能化發展 作為電子設備中電氣的互連件中的金屬導線,已不僅只是電流流通與否的問題,而是作為信號傳輸線的作用。也就是說對高頻信號和高速數字信號的傳輸用PCB的電氣測試,不僅要測量電路通斷和短路等是否符合要求,而且還應該測量特性阻抗值是否在規定的合格范圍內。只有這兩方向都合格了,電路板才符合要求。


    印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號傳輸過程中不發生反射現象,信號保持完整降低傳輸損耗起到匹配阻抗的作用,這樣才能得到完整、可靠、精確 無干擾、噪音的傳輸信號。本文就實際中常用的表 面微帶線結構多層板的特性阻抗控制的問題進行討論。


    1.表面微帶線及特性阻抗

    表面微帶線的特性阻抗值較高并在實際中廣泛采用,它的外層為控制阻抗的信號線面,它和與之相鄰的基準面之間用絕緣材料隔開,特性阻抗的計算公式為:


    a.微帶線(microstrip)

    Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中,W為線寬,T為走線的銅皮厚度,H為走線到參考平面的距離,Er是PCB板材質的介電常數(dielectric constant)。此公式必須在0.1<(W/H)<2.0及1<(Er)<15的情況才能應用。


    b.帶狀線(stripline) 

    Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(0.8W+T)]} 其中,H為兩參考平面的距離,并且走線位于兩參考平面的中間。此公式必須在W/H<0.35及T/H<0.25的情況才能應用


    從公式可以看出 影響特性阻抗的主 要因素是(1)介質常數Er,(2)介質厚度H,(3)導線寬 度W,(4)導線銅的厚度T,因而可知特性阻抗與基板材料(覆銅板材)關系是非常密切的,故選擇基板材料在PCB設計中非常重要。


    2.材料的介電常數及其影響

    材料的介電常數是材料的生產廠家在頻率為1Mhz下測量確定的,不同生產廠家生產的同種材料由于其樹脂含量不同而不同。本研究以環氧玻璃布為例,研究了介電常數與頻率變化的關系,介電常數是隨著頻率的增加而減小,所以在實際應用中應根據工作頻率確定材料的介電常數,一般選用平均值即可滿足要求,信號在介質材料中傳輸速度將隨著介質常數增加而減小,因此要獲得高的信號傳輸速度必須降低材料的介質常數,同時要獲得高的傳輸速度就必須采用高的特性阻值,而高的特性阻值必須選用低的介質常數材料。


    3.導線寬度及厚度的影響

    導線寬度是影響特性阻抗變化的主要參數之一 ,圖 以表面微帶線為例,說明阻抗值與導線寬度的關系。從圖中可以看到當導線寬度改變0.025mm時 就會引起阻抗值相應的變化5-6歐姆,而在實際生產中如果控制阻抗的信號線面使用18μm銅箔,可允許的導線寬度變化公差為±0.015mm,如果控制阻抗的變化 公差為35μm銅箔,可允許的導線寬度變化公差為0.025mm,由此可見,生產中所允許的導線寬度變化會導致阻抗值發生很大的改變,導線的寬度是設計者根據多種設計要求確定的,它既要滿足導線載流量和溫升的要求,又要得到所期望的阻抗值。這就要求生產者在生產中應該保證線寬符合設計要求,并使其變化在公差范圍內,以適應阻抗的要求。導線厚度也是根據導體所要求的載流量以及允許的溫升確定的。在生產中為了滿足使用要求,鍍層厚度一般平均為25μm,導線厚度等于銅箔厚度加上鍍層厚度。需要注意的是電鍍前一度要保證導線表面清潔、不應粘有殘余物和修板油黑,而導致電鍍時銅沒有鍍上,使局部導線厚度發生變化影響特性阻抗值。另外在刷板過程中 一定要小心操作,不要因此而改變了導線厚度,導致阻抗值發生變化。


    4.介質厚度H的影響

    從公式中可看出特性阻抗是與介質厚度的自然對數成正比的,因而可知介質厚度越厚其阻抗值越大,所以介質厚度是影響特性阻值的另一個主要因素。因為導線寬度和材料的介電常數在生產前就已經確定,導線厚度工藝要求也可作為一個定值所以控制層壓厚度(介質厚度)是生產中控制特性阻抗的主要手段。從圖可以得出特性阻抗值與介質厚度變化之間的關系。由圖中可以看出當介質厚度改變0.025mm時,就會引起阻抗值相應的變化+5-8歐姆,而在實際生 產過程中,所允許的每層層壓厚度變化將導致阻抗值發生很大的改變。在實際生產中是選用不同型號的半固化片作為絕緣介質,根據半固化片的數量確定絕緣介質的厚度。以表面微帶線為例:生產過程中可以參照圖。確定相應工作頻率下絕緣材料的介電常數,然后利用公式計算出相應的阻抗值,再根據用戶提出的導線寬度值和計算阻抗值,通過圖查出相對應的介質厚度,然后根據所選用的覆銅板和銅箔的厚度確定半固化片的型號和張數。


    可以看出微帶線結構的設計比起帶狀線設計時,在相同介質厚度和材料下,具有較高的特性阻抗值,一般要大20Ω-40Ω。因此對高頻和高速數字信號傳輸大多采用微帶線結構設計。同時特性阻抗值將隨著介質厚度的增加而增大。所以對于特性阻抗值嚴格控制的高頻線路來說,對覆銅板的介質厚度的誤差應提出嚴格要求,一般來說其介質厚度變化不超過10%,對于多層板來說介質厚度還是個加工因素,特別是與多層層壓加工密切相關,因此也應嚴密加以控制。


    5. 結 論

    在實際生產中導線的寬度、厚度、絕緣材料的介電常數和絕緣介質厚度的稍微改變都會引起特性阻抗值發生變化,另外特性阻抗值還會與其它生產因素有關,所以為了實現對特性阻抗的控制生產者必須了解影響特性阻抗值變化的因素,掌握實際生產條件,根據設計者提出的要求調整各個工藝參數,使其變化在所允許的公差范圍內,以得到期望的阻抗值。


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