Elementos que afectan la impedancia característica de PCB y soluciones

Para ser compatibles con los requisitos de desarrollo como miniaturización, digitalización, alta frecuencia y funciones múltiples, los cables metálicos en PCB (placas de circuito impreso) como dispositivos de interconexión en equipos electrónicos no solo determinan la apertura del flujo de corriente, sino que también juegan un papel como líneas de transmisión de señales. En otras palabras, la prueba eléctrica implementada en los PCB encargados de transmitir señales de alta frecuencia y señales digitales de alta velocidad tiene que confirmar el encendido, apagado y cortocircuito de los circuitos por un lado. También debe determinar que la impedancia característica nunca debe ir más allá del rango regulado por otro lado. Una palabra, una placa de circuito nunca logrará la conformidad con el requisito a menos que se cumplan ambos requisitos.

El rendimiento del circuito proporcionado por los PCB debe garantizar que no se produzcan reflejos durante el proceso de transmisión de la señal; las señales se mantienen integradas; la pérdida de transmisión se reduzca con la adaptación de impedancia lograda. En consecuencia, las señales de transmisión se pueden lograr de manera integral, confiable y precisa sin interferencias ni ruidos. Este artículo se centra en el control de la impedancia característica de placas multicapa con estructura microstrip.

Microstrip de superficie e impedancia característica

Con una alta impedancia característica, la microcinta de superficie se ha aplicado ampliamente en la fabricación de PCB. Un plano de señal está configurado para ser una capa exterior que controla la impedancia y el material aislante utilizado para separar el plano de señal y su plano de referencia adyacente, que se puede ver claramente en la imagen a continuación.

La impedancia característica se puede calcular a través de la fórmula:.

en el que Z₀ se refiere a la impedancia característica; ε_r a la constante dieléctrica del material aislante; h al espesor del material aislante entre las trazas y el plano de referencia; w al ancho de las trazas; t se refiere al grosor de las huellas. La siguiente figura demuestra claramente el significado de cada parámetro.

Según la fórmula que se muestra arriba, se puede concluir que los elementos que afectan la impedancia característica incluyen:
a. Constante dieléctrica del material aislante (ε_r );
b. Espesor del material aislante (h);
c. Ancho de trazos (w);
d. Espesor de las trazas (t).

Se puede concluir además que la impedancia característica está estrechamente relacionada con el material del sustrato (material CCL). Por lo tanto, se deben tomar muchas consideraciones en la selección del material del sustrato.

Constante dieléctrica y sus efectos

Los fabricantes de materiales miden la constante dieléctrica del material cuando la frecuencia cae por debajo de 1 MHz. Incluso el mismo tipo de material puede diferir entre sí cuando son producidos por diferentes fabricantes debido al diferente contenido de resina. Tome la tela de vidrio epoxi como ejemplo. La relación entre la constante dieléctrica de la tela de vidrio epoxi y la frecuencia se puede resumir en la siguiente figura.

Obviamente, la constante dieléctrica disminuye a medida que mejora la frecuencia. Por lo tanto, la constante dieléctrica del material aislante debe determinarse de acuerdo con la frecuencia de operación del material y el valor promedio es capaz de cumplir con los requisitos ordinarios. La velocidad de transmisión de las señales disminuirá a medida que aumente la constante dieléctrica, por lo que la constante dieléctrica debe reducirse si se requiere una alta velocidad de transmisión de la señal. Además, debe garantizarse una alta impedancia característica en aras de una alta velocidad de transmisión, que luego depende de un material con una constante dieléctrica baja.

Ancho y grosor de las huellas

El ancho del trazo es uno de los elementos más influyentes que afectan la impedancia característica y la Figura 4 a continuación demuestra la relación entre la impedancia característica y el ancho del trazo.

Con base en la Figura 4, se puede concluir que a medida que el ancho de la traza cambia en 0,025 mm, la impedancia luego cambiará en 5 a 6 ohmios. Sin embargo, en la fabricación práctica de PCB, si se selecciona una lámina de cobre con una tolerancia de ancho de 18 μm como plano de señal para controlar la impedancia, la tolerancia de ancho de traza permitida es de ±0,015 mm. Si se selecciona lámina de cobre con una tolerancia de ancho de 35 μm, la tolerancia de ancho de trazo permisible es de ±0,003 mm. En conclusión, el cambio de ancho de traza conducirá a un cambio dramático de impedancia. El ancho de la pista está diseñado por diseñadores en función de múltiples requisitos de diseño y no solo debe satisfacer la demanda de capacidad actual y aumento de temperatura, sino también llevar la impedancia a un valor esperado. Por lo tanto, se debe garantizar que el ancho del trazo sea compatible con los requisitos de diseño y dentro de la tolerancia permitida.

El grosor de la traza también debe determinarse de acuerdo con la capacidad de corriente requerida y el aumento de temperatura permitido. En la fabricación, el espesor del recubrimiento es generalmente de 25 μm en promedio. El grosor de la traza es igual a la suma del grosor de la lámina de cobre más el grosor del revestimiento. Cabe señalar que la superficie traza debe limpiarse antes de la galvanoplastia para que se pueda eliminar el contaminante. De lo contrario, el grosor de la traza posiblemente sufrirá irregularidades, lo que afectará la impedancia característica.

Grosor del material aislante

Según la fórmula presentada anteriormente para calcular la impedancia característica, se puede concluir que la impedancia característica es directamente proporcional al logaritmo natural del espesor del material aislante (h). A partir de entonces, cuanto mayor sea "h", mayor será "Z₀ " será. Por lo tanto, el grosor del material aislante también es un elemento crucial que determina la impedancia característica. Dado que el ancho de la pista y la constante dieléctrica del material se han determinado antes de la fabricación y el grosor de la pista se puede considerar como un valor sólido, es un método principal para controlar impedancia característica mediante el control del grosor de la laminación. La relación entre el grosor de la traza y la impedancia característica se puede resumir en la siguiente figura.

A partir de esta figura, se puede indicar que a medida que el grosor aumenta en 0,025 mm, la impedancia característica cambiará entre 5 y 8 ohmios. Sin embargo, en el proceso de fabricación de PCB, es posible que se produzcan grandes cambios debido a un cambio en el grosor de cada laminado. De hecho, se seleccionan preimpregnados con diferentes tipos como material aislante en la fabricación y el grosor puede determinarse por el número de preimpregnados. Tome microstrip como un ejemplo. La figura 3 se puede utilizar para determinar la constante dieléctrica del material aislante en función de la frecuencia de trabajo correspondiente, después de lo cual se puede calcular la impedancia característica. Posteriormente, de acuerdo con el ancho del trazo y el valor calculado de la impedancia característica, la Figura 4 se puede usar para determinar el grosor del material aislante, según el tipo y el recuento de preimpregnado que se puede deducir en función del grosor del CCL y la lámina de cobre.

De acuerdo con la Figura 5 anterior, se muestra que la estructura de microbanda presenta una impedancia característica más alta que la estructura de línea de banda con material aislante aplicado con el mismo espesor. Como resultado, la estructura microstrip es la preferida de la transmisión de señales digitales de alta frecuencia y alta velocidad. Además, la característica aumenta con la mejora del espesor del material aislante. En consecuencia, cuando se trata de circuitos de alta frecuencia con impedancia característica estricta, el espesor del material aislante CCL debe mantener una tolerancia estricta que suele ser del 10% como máximo. Sin embargo, para los tableros multicapa, el grosor del material aislante también es un parámetro de fabricación, por lo que también debe controlarse estrictamente.

En conclusión, incluso un ligero cambio en términos de ancho de pista, grosor de pista, constante dieléctrica y grosor del material aislante puede provocar un cambio en la impedancia característica. Aparte de esos elementos, está estrechamente relacionado con más elementos. Por lo tanto, es muy necesario que los fabricantes sean plenamente conscientes de los elementos que provocan cambios en la impedancia característica y ajusten los parámetros de fabricación para que la impedancia característica pueda mantenerse dentro de un rango aceptable.

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