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PCB线路板工艺对阻抗控制的影响及解决方法

2021-07-10

中国正处于以经济建设为中心、改革开放的良好局面。电子产业年增长率将超过20%,印刷电路板产业对整个电子产业的依存度将超过20%。世界电子工业的技术革命和产业结构的变化给印刷电路的发展带来了新的机遇和挑战。随着电子设备小型化、数字化、高频化和多功能化的发展,印刷电路作为电子设备电气互连中的金属线,不仅是电流问题,更是信号传输线的作用。也就是说,对PCB进行高频信号和高速数字信号传输的电气测试,不仅要测量电路的通断和短路是否符合要求,还要测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。只有这两个方向合格,电路板才能满足要求。
PCB线路板
印刷电路板所提供的电路性能必须能使信号传输过程中无反射现象,保持信号完整,降低传输损耗,起到匹配阻抗的作用,从而得到完整、可靠、准确、无噪声的传输信号。本文讨论了表面微带线结构多层板的特性阻抗控制问题。

1.表面微带线及特性阻抗

表面微带线的特性阻抗高,在实际中应用广泛。它的外层是控制阻抗的信号线平面。它被绝缘材料与相邻的基准面隔开

A.微带

Z={87/[sqrt(ER+1.41)]}ln[5.98h/(0.8W+T)],其中W为线宽,T为铜片厚度,h为线到基准面的距离,ER为PCB材料的介电常数。只有当0.1<(w/h)<2.0和1<(ER)<15时,才能应用此公式。

B带状线

Z=[60/Sqt(ER)] Ln {4H/(0.67π(0.8W+T)}},其中H是两个参考平面之间的距离,线位于两个参考平面的中间。该公式仅适用于w/h<0.35和T/h<0.25的情况

由公式可知,影响特性阻抗的主要因素是(1)介电常数Er,(2)介电厚度h,(3)线宽W,(4)铜厚度T。因此,特性阻抗与基板材料(覆铜板)密切相关,因此基板材料的选择在PCB设计中非常重要。

2.材料的介电常数及其影响

材料的介电常数由材料制造商确定,频率为1MHz。不同制造商生产的同一种材料因其树脂含量不同而不同。以环氧玻璃布为例,研究了介电常数与频率变化的关系。介电常数随频率的增加而减小,因此在实际应用中,材料的介电常数应根据工作频率来确定。一般情况下,平均值能满足要求。信号在介质材料中的传输速度会随着介电常数的增加而降低,因此,要获得较高的信号传输速度,必须降低材料的介电常数,同时必须利用高特性电阻来获得较高的传输速度。

3.线材宽度和厚度的影响

线宽是影响特性阻抗变化的主要参数之一。以表面微带线为例,说明了阻抗值与线宽的关系。从图中可以看出,当导线宽度变化0.025mm时,阻抗值会变化5-6欧姆。在实际生产中,如果用18欧姆来控制信号线平面的阻抗μ,导体宽度变化的公差为±0.015mm,如果阻抗变化的公差为35μ,可以看出,生产中导体宽度的允许变化将导致阻抗值的很大变化。导线宽度由设计人员根据各种设计要求确定。既要满足导线载流能力和温升的要求,又要达到预期的阻抗值。这就要求生产者在生产中要保证线宽满足设计要求,并使其在公差范围内变化以适应阻抗要求。导线厚度也根据导线所需的载流量和允许的温升来确定。在生产中,为了满足使用要求,涂层的平均厚度为25μm。导线的厚度等于铜箔的厚度加上涂层的厚度。需要注意的是,在电镀前,导线表面应保持清洁,修补板上不得有残留物和油黑。结果,在电镀过程中,铜没有被电镀,并且局部导体的厚度发生变化,从而影响特性阻抗值。另外,在刷板的过程中,注意不要改变导线的厚度,造成阻抗值的变化。

4.中厚H的影响

从公式中可以看出,特性阻抗与介质厚度的自然对数成正比。因此,介质厚度越厚,阻抗值越大。因此,介质厚度是影响特性电阻值的另一个主要因素。由于材料的线宽和介电常数在生产前就已经确定,线厚工艺要求也可以作为一个固定值,因此控制层压板厚度(介电厚度)是生产中控制特性阻抗的主要手段。从图中可以得到特性阻抗值与介质厚度变化的关系,从图中可以看出,介质厚度变化0.025mm时,阻抗值变化+5-8欧姆。在实际生产过程中,每层允许厚度的变化都会导致阻抗值发生很大的变化。在实际生产中,选用不同类型的预浸料作为绝缘介质,并根据预浸料的数量确定绝缘介质的厚度。以表面微带线为例:在生产过程中,可以参考图,确定绝缘材料在相应工作频率下的介电常数,然后用公式计算出相应的阻抗值。根据用户的线宽值和计算出的阻抗值,通过图表找出相应的介质厚度,然后根据覆铜板和铜箔的厚度确定半固化片的种类和数量。

从图中可以看出,在介质厚度和材料相同的情况下,微带线结构的设计具有比带状线结构更高的特性阻抗值,一般要大20Ω-40Ω。因此,微带结构多用于高频高速数字信号传输。同时,特性阻抗随着介质厚度的增加而增加。因此,对于特性阻抗值严格控制的高频线路,对覆铜板的介电厚度误差提出了严格的要求。一般来说,介质厚度的变化不超过10%。对于多层板来说,介质厚度仍然是一个加工因素,特别是与多层层压加工密切相关,因此也要严格控制。

5.结论

在实际生产中,导线的宽度和厚度、绝缘材料的介电常数和绝缘介质的厚度稍有变化,就会引起特性阻抗值的变化。此外,特性阻抗值还与其他生产因素有关。因此,为了控制特性阻抗,制造商必须根据设计者的要求,了解影响特性阻抗值变化的因素,掌握实际生产条件,在允许的公差范围内调整工艺参数,以获得所需的阻抗值。

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