Belangrijkste factoren die PCB-karakteristieke impedantie beïnvloeden & praktische oplossingen

Om compatibel te zijn met ontwikkelingsvereisten zoals miniaturisatie, digitalisatie, hoge frequentie en multifunctionaliteit, spelen metalen draden op PCB's (Printed Circuit Boards) als interconnect-apparaten in elektronische apparatuur niet alleen de rol van stroompadafvoer, maar ook die van signaaltransmissielijnen. Met andere woorden: elektrische test op PCB's verantwoordelijk voor het doorgeven van hoogfrequente signalen en high-speed digitale signalen moet niet alleen de aan, uit en kortsluiting van schakelingen bevestigen, maar ook bepalen dat karakteristieke impedantie nooit de geregelde bereik overschrijdt. In één woord: een printplaat zal nooit conformiteit met de eis bereiken tenzij aan beide voldaan is.

Schakelingprestaties geleverd door PCB's moeten garanderen dat reflectie niet optreedt tijdens signaaltransmissieproces; signalen geïntegreerd blijven; transmissieverlies verminderd wordt met impedantiematching bereikt. Gevolgelijk kunnen transmissiesignalen integraal, betrouwbaar en nauwkeurig worden bereikt zonder interferentie of ruis. Dit artikel focust op karakteristieke impedantiecontrole van meervoudige borden met microstrip-structuur.

Oppervlakte Microstrip en Karakteristieke Impedantie

Met hoge karakteristieke impedantie is oppervlakte microstrip wijd toegepast in PCB-fabricage. Een signaalvlak wordt ingesteld als outer layer die impedantie controleert en isolatiemateriaal wordt gebruikt om het signaalvlak en het aangrenzende datumvlak te scheiden, wat duidelijk zichtbaar is in de onderstaande afbeelding.

Karakteristieke impedantie kan worden berekend via formule: .

Waarbij Z₀ de karakteristieke impedantie aanduidt; ε_r de dielektrische constante van isolatiemateriaal; h de dikte van isolatiemateriaal tussen sporen en datumvlak; w de breedte van sporen; t de dikte van sporen. De onderstaande afbeelding toont duidelijk de betekenis van elke parameter.

Op basis van de bovengenoemde formule kan geconcludeerd worden dat elementen die karakteristieke impedantie beïnvloeden, zijn:
a. Dielektrische constante van isolatiemateriaal (ε_r);
b. Dikte van isolatiemateriaal (h);
c. Breedte van sporen (w);
d. Dikte van sporen (t).

Het kan verder geconcludeerd worden dat karakteristieke impedantie nauw verbonden is met substraatmateriaal (CCL-materiaal). Veel overwegingen moeten dus in substraatmateriaalselectie worden genomen.

Dielektrische constante en zijn effecten

Dielektrische constante van materiaal wordt gemeten door materiaalfabrikanten wanneer frequentie onder 1 MHz valt. Zelfs hetzelfde type materiaal kan van elkaar verschillen wanneer geproduceerd door verschillende fabrikanten vanwege verschillende harsinhoud. Neem epoxy-glasweefsel als voorbeeld. Relatie tussen dielektrische constante van epoxy-glasweefsel en frequentie kan worden samengevat in de volgende figuur.

Duidelijk is dat dielektrische constante daalt naarmate de frequentie toeneemt. Daarom moet dielektrische constante van isolatiemateriaal worden bepaald volgens de werkfrequentie van het materiaal en het gemiddelde is in staat om gewone eis te voldoen. Transmissiesnelheid van signalen zal dalen naarmate dielektrische constante stijgt, dus dielektrische constante moet verlaagd worden als een hoge signaaltransmissiesnelheid gevraagd wordt. Bovendien moet hoge karakteristieke impedantie gewaarborgd worden ten behoeve van een hoge transmissiesnelheid, wat dan afhangt van materiaal met lage dielektrische constante.

Breedte en dikte van sporen

Spoor-breedte is een van de meest invloedrijke elementen die karakteristieke impedantie beïnvloeden en figuur 4 hieronder toont de relatie tussen karakteristieke impedantie en spoor-breedte.

Op basis van figuur 4 kan geconcludeerd worden dat naarmate spoor-breedte verandert met 0,025 mm, impedantie daarna verandert met 5 tot 6 ohm. In praktische PCB-fabricatie, echter, als koperfolie met breedtetolerantie van 18 μm geselecteerd wordt als signaalvlak om impedantie te controleren, is de toelaatbare spoor-breedtetolerantie ±0,015 mm. Als koperfolie met breedtetolerantie van 35 μm geselecteerd wordt, is de toelaatbare spoor-breedtetolerantie ±0,003 mm. Concluderend: spoor-breedteverandering zal dramatische impedantieverandering teweegbrengen. Spoor-breedte wordt ontworpen door ontwerpers op basis van meerdere ontwerpeisen en moet niet alleen aan de eis van stroomcapaciteit en temperatuurstijging voldoen, maar impedantie naar een verwachte waarde leiden. Daarom moet spoor-breedte gewaarborgd worden compatibel met ontwerpeis en binnen toelaatbare tolerantie.

Spoor-dikte moet ook worden bepaald volgens vereiste stroomcapaciteit en toelaatbare temperatuurstijging. In fabricatie, is coating-dikte doorgaans 25 μm gemiddeld. Spoor-dikte is gelijk aan som van koperfoiledikte plus coating-dikte. Het moet worden opgemerkt dat spoor-oppervlak opgeschoond moet worden vóór electroplating, zodat verontreiniging geëlimineerd kan worden. Anders kan spoor-dikte onevenredigheid lijden, wat dan karakteristieke impedantie beïnvloedt.

Dikte van isolatiemateriaal

Op basis van de bovengenoemde formule voor het berekenen van karakteristieke impedantie, kan geconcludeerd worden dat karakteristieke impedantie recht evenredig is met de natuurlijke logaritme van dikte van isolatiemateriaal (h). Vervolgens, hoe groter "h" wordt, des te groter "Z₀" zal zijn. Dus, isolatiemateriaal-dikte is ook een cruciaal element dat karakteristieke impedantie bepaalt. Aangezien spoor-breedte en dielektrische constante van materiaal vóór fabricatie zijn bepaald en spoor-dikte als een vaste waarde kan worden beschouwd, is het een primaire methode om karakteristieke impedantie te controleren door laminatiedikte te controleren. Relatie tussen spoor-dikte en karakteristieke impedantie kan worden samengevat in de volgende figuur.

Uit deze figuur kan aangegeven worden dat naarmate dikte stijgt met 0,025 mm, karakteristieke impedantie verandert met 5 tot 8 ohm. Echter, in PCB-fabricageproces, kan enorme verandering worden veroorzaakt door een verandering van elke laagdikte. Feitelijk wordt prepreg met verschillende typen geselecteerd als isolatiemateriaal in fabricatie en dikte kan worden bepaald door het aantal prepreg. Neem microstrip als voorbeeld. Figuur 3 kan worden gebruikt om dielektrische constante van isolatiemateriaal te bepalen op basis van corresponderende werfrequentie, waarna karakteristieke impedantie kan worden berekend. Daarna, in overeenstemming met spoor-breedte en berekende waarde van karakteristieke impedantie, kan figuur 4 worden gebruikt om dikte van isolatiemateriaal te bepalen, op basis waarvan type en aantal prepreg kunnen worden afgeleid op basis van de dikte van CCL en koperfolie.

In overeenstemming met bovenstaande figuur 5, wordt getoond dat microstrip-structuur hogere karakteristieke impedantie heeft dan stripline-structuur met isolatiemateriaal met dezelfde dikte toegepast. Als resultaat is microstrip-structuur de voorkeur voor hoogfrequente en high-speed digitale signaaltransmissie. Bovendien stijgt karakteristieke impedantie met de verbetering van dikte van isolatiemateriaal. Gevolgelijk, wanneer het gaat om hoogfrequente schakelingen met strikte karakteristieke impedantie, moet CCL-isolatiemateriaal-dikte een strikte tolerantie behouden die meestal 10% maximaal is. Voor meervoudige borden, is isolatiemateriaal-dikte echter ook een fabricatieparameter, dus moet het ook strikt gecontroleerd worden.

Concluderend: zelfs een lichte verandering wat betreft spoor-breedte, spoor-dikte, dielektrische constante en dikte van isolatiemateriaal kan een verandering op karakteristieke impedantie teweegbrengen. Naast die elementen, is het nauw verbonden met meer elementen. Daarom is het van significante noodzaak voor fabrikanten om volledig bewust te zijn van elementen die veranderingen van karakteristieke impedantie oproepen en fabricatieparameters aan te passen, zodat karakteristieke impedantie binnen een acceptabel bereik gehouden kan worden.

PCBCart is in staat om printplaten met impedantietolerantie gecontroleerd in het bereik van ±5% - ±10% te fabriceren. Wilt u weten hoeveel het kost om uw custom ontwerp in echte borden te brengen? Gebruik onze online PCB-prijscalculator om uw PCB-prijs binnen seconden te krijgen.

Nuttige bronnen

• Impedantiecontrole in PCB-ontwerp van high-speed digitale schakeling
• Impedantiecontrole van via's en zijn invloed op signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Impedantie-ontwerpoverwegingen voor flex-rigid PCB
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart - Meerdere toegevoegde waarde opties
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Vanaf 1 stuk