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【干貨講解】四大因素解析:常規(guī)阻抗控制為什么只能是10%?

電子發(fā)燒友論壇 ? 來源:未知 ? 2023-06-27 08:10 ? 次閱讀
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隨著高速信號傳輸,對高速PCB設(shè)計提出了更高的要求,阻抗控制是高速PCB設(shè)計常規(guī)設(shè)計,PCB加工十幾道工序會存在加工誤差,當(dāng)前常規(guī)板廠阻抗控制都是在10%的誤差。理論上,這個數(shù)值是越小越好,為什么是10%?為什么不能進(jìn)一步的把常規(guī)控制能力推到8%,甚至5%呢?


從設(shè)計上,在《阻抗板是否高可靠,華秋有話說》一文中有提及,由理論公式推導(dǎo),阻抗與介質(zhì)厚度、線寬、銅厚、介電常數(shù)、阻焊厚度等因素有關(guān),但設(shè)計通常是理想值,從PCB加工工藝來講,任何一道工序都會存在偏差,即所謂的制程公差,理論上講實(shí)際值越接近理論值,最后阻抗公差就會越小,電子產(chǎn)品的電氣性能就越優(yōu),產(chǎn)品可靠性越高。



綜合這些阻抗影響因素,我們可以看到,本質(zhì)上阻抗偏差與材料及加工過程有關(guān)。板材來料本身偏差、線路蝕刻偏差、層壓帶來的流膠率偏差,以及銅箔表面粗糙度、PP玻纖效應(yīng)、介質(zhì)的DF頻變效應(yīng)等都會對阻抗公差有影響。


一、覆銅板的來料偏差



據(jù)IPC-4101《剛性及多層印制板用基材規(guī)范》,覆銅板的厚度偏差分為兩種,一種厚度公差包括金屬箔的厚度,另一種不包括銅箔的芯板厚度。覆銅板(包括銅箔)厚度公差分三個等級(K、L和M),從K級至M級厚度偏差漸嚴(yán)。覆銅板(不包括銅箔)厚度偏差分四個等級(A、B、C、D),從A級至D級厚度偏差漸嚴(yán)。華秋嚴(yán)格選用生益/建滔 A 級 FR4板材,從源頭上控制來料偏差,控制板材對阻抗公差的影響。



二、壓合制程的介質(zhì)偏差



壓合是PCB多層板制造中最重要的工序之一,簡言之,壓合是指將銅箔、半固化片(PP片)和內(nèi)層芯板,透過“熱和壓力”結(jié)合起來。通過壓合工序后的PCB,需要符合一定的板厚、阻抗控制、電氣絕緣性、層之間的結(jié)合性、尺寸穩(wěn)定性、板材的平整性等要求。


這里我們可以看到,壓合對阻抗公差一個重要影響因素就是介質(zhì)厚度,即半固化片(PP片)的厚度。一般而言,板廠采購來的PP片,有一個初始厚度,這個初始厚度跟樹脂含量(RC%)及玻璃布的型號相關(guān),不同品牌PP片,含膠量和玻璃布厚度有一定的差異,從產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠而言,在滿足客戶需求的情況下,華秋PCB一般會選用固定的品牌廠商PP片,跟工廠壓機(jī)形成一個相對穩(wěn)定的參數(shù)關(guān)系,通過大量的過程數(shù)據(jù),以確保PCB的壓合質(zhì)量。


而在實(shí)際的壓合過程中,樹脂在高溫高壓的情況下,會發(fā)生流動,多余的樹脂(RF%)就會從層間溢出,剩余在層間的樹脂厚度則為樹脂實(shí)際厚度。


而PP填膠后的實(shí)際厚度計算如下:







PP壓合后厚度= 單張PP理論厚度 – 填膠損失

填膠損失 = (1-A面內(nèi)層銅箔殘銅率)x內(nèi)層銅箔厚度 + (1-B面內(nèi)層銅箔殘銅率)x內(nèi)層銅箔厚度

內(nèi)層殘銅率=內(nèi)層走線面積/整板面積



而阻抗控制的重要影響因素中,介電常數(shù)(Dk值)及介質(zhì)厚度都有PP片決定,介電常數(shù)Dk值可由下列公式計算:


Dk=6.01-3.34R R: 樹脂含量 %


綜上,原材料PP片厚度存在固有的厚度的偏差,且經(jīng)過壓合的實(shí)際厚度也因?yàn)閴汉蠀?shù)條件存在偏差的疊加,這些都會對最終的阻抗控制產(chǎn)生影響,阻抗公差控制在10%的范圍已比較困難。


PP片以其玻璃布的型號區(qū)分,最常見的型號分別有7628、2116、1080,下表為各種PP片、樹脂含量、厚度一覽表:



三、蝕刻制程的線路偏差



PCB線路制程,一般會經(jīng)過貼膜-曝光-顯影-蝕刻-退膜這幾道工序,線路蝕刻工序則會影響最終的線寬,從而影響阻抗控制。理論上,如果要精確地界定蝕刻的質(zhì)量,那么必須保證線寬的一致性和側(cè)蝕程度,即蝕刻因子(側(cè)蝕寬度與蝕刻深度之比稱為蝕刻因子)。


通常我們的蝕刻精度公差是10mil及以下的線寬按照+/-1mil來控制,10mil以上的線寬公差按+/-10%管控。線寬越小,蝕刻的精度公差越難控制。想要控制好線路精度及線寬一致性,PCB板廠一方面必須配備高品質(zhì)的線路曝光機(jī)和真空蝕刻機(jī),另一方面,還需要根據(jù)蝕刻側(cè)蝕量、光繪誤差、圖形轉(zhuǎn)移誤差,對工程底片進(jìn)行工藝補(bǔ)償,以達(dá)到線寬/線厚的要求。華秋擁有高精度LDI曝光機(jī)及宇宙水平線,線寬公差可控制±15%以內(nèi)(行業(yè)普標(biāo)為±20%),最小線寬線距2.5/3.0 mil,蝕刻均勻品質(zhì)高,線路精度及一致性更有保障。



四、阻焊偏差



阻焊,即在PCB表面不需焊接的線路和基材上涂上層防焊阻劑 (油墨) ,并起到阻焊絕緣、防止氧化、美化外觀之作用。


阻焊油墨影響阻抗的因素主要是阻焊油墨的介電常數(shù)及覆蓋阻抗線的阻焊油厚度兩個因素。對于PCB板廠而言,一般使用油墨型號都是固定的,其介電常數(shù)的變化很小。只有在變換阻焊顏色時,介電常數(shù)才會有細(xì)小的變化。相對于介電常數(shù),阻焊的油墨厚度對阻抗的影響最大。


一般情況下,印上阻焊會使外層阻抗減少,因此在控制阻抗誤差時會考慮到阻焊的影響。正常情況下,印刷一遍阻焊可使單端下降2Ω,可使差分下降8Ω;印刷兩遍下降值為一遍時的2倍;當(dāng)印刷三次以上時,阻抗值不再變化。






影響阻抗誤差的因素有很多,其中有的加工因素更是具有隨機(jī)性,這便是阻抗誤差難以做到5%的原因。因此,對一個產(chǎn)品的開發(fā),可能更重要的不是從加工流程上去執(zhí)著于10%、8%甚至5%的阻抗加工誤差,而是把目光轉(zhuǎn)到:從PCB上更優(yōu)化的設(shè)計去獲取更多的系統(tǒng)裕量,以抵抗加工誤差。


華秋電路作為國內(nèi)高可靠的多層板制造商,專注于多層板打樣及中小批量,最高32層,HDI 1-3階,持續(xù)為廣大客戶提供高可靠PCB。


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華秋,成立于2011年,是全球領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化智造平臺,國家級高新技術(shù)企業(yè)。以“客戶為中心,追求極致體驗(yàn)”為經(jīng)營理念,布局了電子發(fā)燒友網(wǎng)、方案設(shè)計、元器件電商、PCB 制造、SMT 制造和 PCBA 制造等電子產(chǎn)業(yè)服務(wù),已為全球 30萬+客戶提供了高品質(zhì)、短交期、高性價比的一站式服務(wù)。


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