Factores Clave que Influyen en la Impedancia Característica de PCB y Soluciones Prácticas

Para cumplir requisitos de miniaturización, digitalización, alta frecuencia y multifunción, los hilos metálicos en PCB como dispositivos de interconexión en equipos electrónicos no solo determinan apertura de flujo de corriente, sino que actúan como líneas de transmisión de señal. En test eléctrico en PCB que transmiten señales alta frecuencia y digitales alta velocidad, hay que confirmar encendido/apagado/cortocircuito por un lado, y por otro que impedancia característica nunca supere rango regulado. Una placa nunca cumplirá requisitos a menos que se cumplan ambos.

Rendimiento de circuito por PCB debe asegurar: sin reflexión en transmisión; señales íntegras; pérdida reducida con matching impedancia. Así, señales se transmiten íntegra, fiable y precisamente sin interferencia/ruido. Este artículo se centra en control de impedancia característica de multicapas con estructura microstrip.

Microstrip Superficial e Impedancia Característica

Con alta impedancia característica, microstrip superficial se usa ampliamente en fabricación PCB. Plano señal en capa exterior controla impedancia; material aislante separa plano señal y plano datum adyacente (ver imagen).

Impedancia característica por fórmula: .

Z₀ = impedancia característica; εr = constante dieléctrica material aislante; h = espesor material aislante entre trazas y plano datum; w = ancho trazas; t = espesor trazas. Figura abajo muestra significado de cada parámetro.

Elementos que afectan impedancia característica:

1. Constante dieléctrica material aislante (εr)
2. Espesor material aislante (h)
3. Ancho trazas (w)
4. Espesor trazas (t)

Impedancia característica estrechamente relacionada con material substrato (CCL). Muchas consideraciones en selección substrato.

Constante Dieléctrica y sus Efectos

Constante dieléctrica medida por fabricantes a frecuencia <1 MHz. Incluso mismo material puede diferir entre fabricadores por contenido resina distinto. Ej.: tela vidrio epoxi. Relación εr vs frecuencia:

εr baja al subir frecuencia. Determinar εr según frecuencia operativa; valor medio cumple requisito ordinario. Velocidad transmisión disminuye al subir εr → para alta velocidad, εr debe bajar. Alta impedancia característica para alta velocidad → material con εr baja.

Ancho y Espesor de Trazas

Ancho traza es uno de los elementos más influyentes. Figura 4 muestra relación impedancia vs ancho traza.

Cambio 0,025 mm en ancho → impedancia cambia 5–6 Ω. En fabricación, si lámina cobre tolerancia ancho 18 µm como plano señal control impedancia, tolerancia ancho traza ±0,015 mm. Si lámina 35 µm, tolerancia ±0,003 mm. Conclusión: cambio ancho traza → cambio dramático impedancia. Ancho diseñado por diseñador según múltiples requisitos; debe cumplir capacidad corriente y subida temperatura, y llevar impedancia a valor esperado. Ancho debe ser compatible con diseño y dentro tolerancia.

Espesor traza también según capacidad corriente y subida temp permitida. En fabricación, recubrimiento medio 25 µm. Espesor traza = espesor lámina + recubrimiento. Limpiar superficie traza antes de electroplateado para eliminar contaminantes; si no, espesor puede ser irregular, afectando impedancia.

Espesor Material Aislante

Según fórmula, impedancia característica proporcional a logaritmo natural de espesor aislante (h). Mayor h → mayor Z₀. Espesor aislante crucial para determinar impedancia. Como ancho traza y εr determinados antes de fabricación y espesor traza valor sólido, método primario para controlar impedancia = controlar espesor laminación. Relación espesor traza vs impedancia:

Subida 0,025 mm en espesor → impedancia cambia 5–8 Ω. En fabricación, gran cambio posible por cambio en cada prepreg. Prepreg de distintos tipos se selecciona como aislante; espesor determinado por número de prepreg. Ej. microstrip: Figura 3 determina εr según frecuencia trabajo → calcula Z₀ → Figura 4 da espesor aislante según ancho traza y Z₀ calculado → deduce tipo y cuenta prepreg según espesor CCL y lámina cobre.

Figura 5 muestra microstrip tiene Z₀ mayor que stripline con mismo espesor aislante. Microstrip preferido para transmisión señales HF/alta velocidad digital. Impedancia sube con mejora espesor aislante. En circuitos HF con impedancia estricta, tolerancia espesor aislante CCL ≤10 %. En multicapas, espesor aislante también parámetro fabricación → control estricto.

Conclusión: incluso leve cambio en ancho traza, espesor traza, εr, espesor aislante cambia impedancia. Relacionada con más elementos. Necesidad significativa para fabricantes de conocer elementos que causan cambios en impedancia y ajustar parámetros fabricación para mantener impedancia en rango aceptable.

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