PCB特性阻抗控制精度探討

1、PCB特性阻抗控制精度探討 2008-6-20 22:53:02資料來源:PCBcity作者: 作者簡介何思軍 2000年8月加入一家大型PCB公司,主要負(fù)責(zé)MI的設(shè)計(jì)、審核及高難度板件的制作等方面的工作, 從2005年5月起加入深圳市五洲電路集團(tuán)有限公司,任公司副總經(jīng)理，負(fù)責(zé)工廠新工藝、新材料的研究、開發(fā)、推廣及樣板、高難度板的制作等。通過多年來的實(shí)踐，對高難度板件的制作方面積累了不少的經(jīng)驗(yàn)，特別是對高密度、高多層的埋盲孔板及特性阻抗板方面頗有研究，并發(fā)表有關(guān)論文數(shù)篇。摘要： 隨著以計(jì)算機(jī)為先導(dǎo)的電路信號傳輸高速化的迅速發(fā)展，其中一個(gè)非常重要的問題就是：要求PCB在高速信號傳輸中保持信號穩(wěn)定

2、，不產(chǎn)生誤動(dòng)作，這就要求所使用的PCB的特性阻抗控制精度化的提高。對特性阻抗控制精度提出更為嚴(yán)格的要求，這對PCB制造廠來說確實(shí)是很大的挑戰(zhàn)，為此，本文針對如何滿足客戶嚴(yán)格的阻抗控制精度要求方面進(jìn)行探討，希望能對PCB制造業(yè)同行有所幫助。關(guān)鍵詞： 阻抗控制、阻抗控制精度1、 前 言隨著電子整機(jī)產(chǎn)品的高速化發(fā)展，這就要求所使用PCB的特性阻抗控制要求達(dá)到高精度化。以計(jì)算機(jī)高速化進(jìn)展為例，就可以說明這一需求的發(fā)展趨勢。 最初對PCB確立±10%的控制精度要求是由電路中800MHz頻率信號的Direc Rambus 型的DRAM模塊（RIMM）應(yīng)用所提出的，這是為了保證計(jì)算機(jī)主機(jī)

3、和交換機(jī)的內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)更高速的動(dòng)作。不僅搭載RIMM的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，而且很多的電子產(chǎn)品也需要基板上的電路能很好地與之匹配，一些客戶相應(yīng)使用的PCB板件的特性阻抗控制精度不在局限于原來的±15%或±10%，有的阻抗控制精度要求提高到±8%甚至±5%，這對PCB制造廠來說確實(shí)是很大的挑戰(zhàn)。本文主要針對如何滿足客戶嚴(yán)格的阻抗控制精度要求方面進(jìn)行闡述，希望能對PCB制造業(yè)同行有所幫助。2、阻 抗 控 制 精 度 分 析一般多層板的傳輸線系統(tǒng)要達(dá)到60±10%還算容易，但要達(dá)到75±5%，甚至50±5%時(shí)就會有點(diǎn)難度,誤差5%即使對于技

4、術(shù)規(guī)格要求較高的應(yīng)用而言也是不常見的，但還是有一些客戶對阻抗控制精度提出了±5%的要求，現(xiàn)舉例來說明。以下是我司生產(chǎn)的一種板件，該板的要求：4層板，完成板厚1.0±0.10mm，板材采用FR4，客戶有指定的疊層結(jié)構(gòu)，見下圖其中TOP層有單線阻抗要求，參考層為第2層，其中單線阻抗線寬W1要求12.0MIL,阻抗要求50±5%（50±2.5），其結(jié)構(gòu)如下：對于客戶如此嚴(yán)格的阻抗控制精度要求,如何去滿足?下面來談?wù)勎覀児臼侨绾稳ミM(jìn)行控制的。2.1 PCB特性阻抗的模擬計(jì)算對于有阻抗控制要求的板，目前，PCB工廠比較常見的做法就是在PCB的生產(chǎn)拼版板邊適當(dāng)位置

5、設(shè)計(jì)一些阻抗試樣，這些阻抗試樣具有與PCB相同的分層和阻抗線構(gòu)造。在設(shè)計(jì)阻抗試樣前會預(yù)先采用一些阻抗計(jì)算軟件對阻抗進(jìn)行模擬計(jì)算，以便對阻抗進(jìn)行預(yù)測。其中英國POLAR公司開發(fā)的CITS測試系統(tǒng)及計(jì)算軟件自1991年起已經(jīng)為許多PCB制造商所使用，而且操作簡單、具有強(qiáng)大的功能計(jì)算能力。但不管該系統(tǒng)功能有多強(qiáng)大，其計(jì)算能力及計(jì)算阻抗的場求解工具都依賴于使用“理想的”材質(zhì)，模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際測量的阻抗結(jié)果之間總會存在一定的偏差。因此，對于客戶阻抗控制精度要求±5%的情況下,采用計(jì)算精度比較高的軟件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬預(yù)測就顯得尤為重要了。為此，我們采用英國POLAR公司開發(fā)的最新計(jì)算軟件P

6、olar SI8000K 控制阻抗快速解算器進(jìn)行模擬預(yù)測，由于客戶要求：為了滿足50±5%的阻抗允許PCB廠可對疊層結(jié)構(gòu)做適當(dāng)調(diào)整,而阻抗線寬不可調(diào)整,為此,模擬結(jié)果如下：根據(jù)上面的模擬結(jié)果可看出,為了滿足客戶50阻抗要求,需將客戶原有TOP層到第2層的介質(zhì)層厚度9mil調(diào)整為7mil,同時(shí)，為了滿足客戶完成板厚，需將芯板厚度也做相應(yīng)調(diào)整。結(jié)合內(nèi)層線路的布線密度,調(diào)整為如下疊層結(jié)構(gòu)：2.2 PCB的生產(chǎn)過程控制2.2.1采用平行光曝光機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)因?yàn)榉瞧叫泄馐菍儆邳c(diǎn)光源,發(fā)射的光是散射的光,因此,這些光線透過菲林底片進(jìn)入感光干膜或其他液態(tài)抗蝕刻劑膜等是呈各種各樣角度曝光的,經(jīng)過曝光顯影

7、出來的圖形與底片上的圖形會有一定的偏差，而平行光是以垂直方向照射到感光干膜或其他液態(tài)抗蝕刻劑膜進(jìn)行曝光的，因此，感光層上曝光出來的導(dǎo)線寬度會十分接近菲林底片上的導(dǎo)線寬度，這樣，可以得到更為準(zhǔn)確的導(dǎo)線寬度，從而減少這種偏差對阻抗帶來的影響。2.2.2 外層基銅選用薄銅箔由于精細(xì)線路的迅速發(fā)展，薄銅箔已得到大量的發(fā)展并被全面使用，銅箔厚度已由早些年的1OZ走向1/2OZ為主，而且早也開發(fā)出1/3OZ和1/4OZ，甚至更薄的如1/7OZ銅箔。因?yàn)檩^薄的銅箔厚度有利于制造和控制導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線的完整性，從而有利于保證阻抗控制精度。由于客戶對外層銅厚要求為1OZ, 因此，對于該四層板壓合時(shí)外層我們選用了1

8、/3OZ 銅箔進(jìn)行壓合，再經(jīng)過后面的電鍍后即可達(dá)到客戶表面銅厚1OZ的銅厚要求，這樣既滿足了客戶表面完成銅厚的要求，又有利于蝕刻時(shí)對導(dǎo)線寬度均勻性的控制。2.2.3 采用銅箔通電加熱壓機(jī)層壓層壓機(jī)的加熱方式有電加熱和蒸汽加熱兩種，而我公司所使用的是意大利CEDAL公司采用ADARA技術(shù)生產(chǎn)的多層真空壓機(jī)，該系統(tǒng)利用成卷的銅箔環(huán)繞著半固化片及內(nèi)層板的疊層一層一層疊板，在層壓機(jī)內(nèi)對銅箔通電，達(dá)到加熱的效果，溫度分布，整個(gè)疊板的溫度分布可到達(dá)177±2°C，由于加熱快，溫度分布均勻，壓合過程中樹脂流動(dòng)性比較均勻，層壓出來的板的板厚平整度可達(dá)到±0.025mm，層間介質(zhì)層

9、的厚度比較均勻。2.2.4 采用整板電鍍進(jìn)行生產(chǎn)為了獲得比較均勻厚度及寬度的導(dǎo)線以保證阻抗在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，PCB在經(jīng)過孔化后是直接采用全板電鍍生產(chǎn)的,其中電流密度進(jìn)行適當(dāng)降低.由于PCB在經(jīng)過孔化后直接進(jìn)入全板電鍍，在一定的鍍液條件下，整板的制板面上接受的是均勻的電流密度，因而整個(gè)板面及孔內(nèi)的銅厚是比較均勻的，這樣有利于控制面銅厚度及導(dǎo)線寬度的均勻度（因?yàn)椴痪鶆虻你~厚度會對蝕刻均勻性方面帶來不利），從而有利于對PCB特性阻抗的控制及減少其的波動(dòng)性。2.2.5 其他方面當(dāng)然,為了滿足客戶50±5%（50±2.5）的阻抗控制要求在蝕刻線路,絲印綠油等方面也應(yīng)加以控制,以確保

10、導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線表面綠油層厚度的均勻性.3 PCB的阻抗測量阻抗測量通常使用時(shí)域反射計(jì) (TDR) 來完成，TDR（時(shí)域反射計(jì)）已成為測量印刷電路板上的特性阻抗的既定技術(shù)。對于測量阻抗要求精度為±5%的特性阻抗來說阻抗測量也是非常重要的，一定要確保測量的正確性，否則會導(dǎo)致阻抗合格的板件誤測為不合格。2.3.1 測量前采用可跟蹤的阻抗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正因?yàn)橛糜谧杩箿y量的 TDR 是高精度的 RF 測量工具，在測量過程中，TDR測量要求在跡線前端與后端DC條件相同的環(huán)境下進(jìn)行的，由于大多數(shù)的阻抗COUPON都未端接，因而最好采用經(jīng)過可跟蹤標(biāo)準(zhǔn)校正的參考空氣管路。使用高精度負(fù)載電阻校準(zhǔn)TDR可以將

11、阻抗測量誤差減少。2.3.2 測量時(shí)切不可將手放在阻抗COUPON上將手或手指放在阻抗COUPON上時(shí)其表面的阻抗結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其結(jié)果導(dǎo)致測量的阻抗下降,為此,測試人員在進(jìn)行測試過程中不可將手或手指放在阻抗COUPON上。2.3.3 測試時(shí)采用固定的測試夾具將阻抗COUPON固定測試一般測試阻抗時(shí)常的做法是將阻抗COUPON直接放置在工作臺面上進(jìn)行測試，這都會影響測量的結(jié)果，因?yàn)楣ぷ髋_面具有它本身的絕緣常數(shù)，阻抗COUPON如果與工作臺面直接接觸，得到的阻抗測試結(jié)果都會偏低，當(dāng)然，對于阻抗控制精度要求不是很嚴(yán)的情況下尚可，而對于測試類似測量阻抗要求精度為±5%的特性阻抗時(shí)就應(yīng)該采用

12、固定的測試夾具將阻抗COUPON固定測試。2.3.4 測量時(shí)檢查RF線纜和探針磨損RF 線纜和探針的使用壽命有限，用戶在使用過程中會磨損,一旦RF線纜和探針破損都會影響阻抗測量結(jié)果，因此, 測量時(shí)檢查RF線纜和探針磨損,以保證確保測量的正確性.2.3.5 其他方面當(dāng)然,為了保證測量的準(zhǔn)確性,在測量過程中要求測試區(qū)域附近的移動(dòng)電話關(guān)閉,在測量中要求TDR阻抗測試探針與阻抗測試COUPON接觸保證良好等。3、 結(jié) 果 與 討 論以下是采用TDR測試系統(tǒng)測試該板的阻抗測試結(jié)果，從結(jié)果可看出該板所測試的阻抗都在47.552.5之間,即完全滿足客戶50±5%（50±2.5）的阻抗要求. 因此,可看出對于客戶±8%甚至±5%的阻抗控制精度要求只要在生產(chǎn)前采用計(jì)算精度比較高的軟件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬預(yù)