Что такое импеданс? Импеданс это сопротивление между проводниками, линиями передачи или компонентами на печатных плат. В высокоскоростных цифровых схемах и радиочастотных цепях точное управление сопротивление печатных плат является одним из ключевых факторов, обеспечивающих качество передачи сигнала. Когда различные сигнальные линии проходят через печатную плату, на них влияют такие факторы, как материал печатных плат, ширина дорожек, расстояние между дорожками, расстояние между слоями и температура окружающей среды, что приводит к изменению характеристик сопротивление.
Импеданс (Z) представляет собой общее сопротивление цепи переменным токовым сигналам, определяемое совокупностью сопротивления, емкости и индуктивности, измеряемое в омах (Ом). В цепях постоянного тока сопротивление является основным фактором сопротивление, однако в высокочастотных цепях переменного тока большее влияние оказывают емкость и индуктивность. Паразитная емкость между линиями «накапливает» энергию сигнала, а индуктивность проводников «сопротивляется» изменениям тока, что в совокупности влияет на импеданс.
Для печатных плат обычные сопротивление включают 50 Ом (для радиочастотных сигналов), 75 Ом (для видеосигналов) и 100 Ом (для дифференциальных сигналов). Эти значения не выбраны произвольно, а представляют собой «согласованные стандарты», определяемые характеристиками микросхем и разъемов. Например, радиочастотные микросхемы обычно имеют выходной импеданс 50 Ом. Только когда дорожки печатных плат также поддерживают сопротивление 50 Ом, энергия сигнала может передаваться с максимальной эффективностью, сводя к минимуму потери на отражение.
Классификация импеданс
(1) Односторонний импеданс: сопротивление, измеренный на одной сигнальной дорожке (обычно используется);
(2) Дифференциальный импеданс: сопротивление, измеренный между двумя линиями передачи одинаковой ширины и расположенными на равном расстоянии друг от друга во время дифференциального привода (обычно используется);
(3) Копланарный импеданс: сопротивление, измеренный при передаче сигнала между окружающими его плоскостями GND/VCC (редко используется).
Факторы, влияющие на импеданс:
1.Ширина трассы импеданса: импеданс обратно пропорционален ширине трассы. Более тонкая ширина трассы дает более высокий импеданс, а более грубая ширина трассы приводит к более низкому сопротивление.
2.Толщина диэлектрика: импеданс прямо пропорционален толщине диэлектрика. Более толстый диэлектрик дает более высокий сопротивление, а более тонкий диэлектрик приводит к более низкому импедансу.
3.Диэлектрическая проницаемость импеданса: диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна импеданс. Более высокая диэлектрическая проницаемость приводит к более низкому сопротивление, а более низкая диэлектрическая проницаемость приводит к более высокому импеданс.
4.Толщина паяльной маски: толщина паяльной маски обратно пропорциональна сопротивление. В пределах определенного диапазона толщины более толстая паяльная маска дает более низкий импеданс, а более тонкая паяльная маска дает более высокий импеданс.
5.Толщина медной фольги: толщина медной фольги обратно пропорциональна сопротивление. Более толстая медь дает более низкий импеданс, а более тонкая медь приводит к более высокому сопротивление.
6.Дифференциальный импеданс: расстояние прямо пропорционально сопротивление; большее расстояние дает более высокий импеданс. Другие влияющие факторы идентичны факторам, влияющим на характеристический импеданс.
7.Копланарный импеданс: расстояние между линиями сопротивление и проводниками прямо пропорционально импеданс; большее расстояние дает более высокий сопротивление. Другие влияющие факторы идентичны факторам, влияющим на характеристический сопротивление.
Ключевые параметры, влияющие на расчет импеданса печатных плат
Суть расчета сопротивление печатных плат заключается в количественной оценке влияния физической структуры и свойств материалов на импеданс. Ключевые параметры можно разделить на четыре группы, причем даже незначительные изменения этих параметров могут вызвать колебания импеданса.
Геометрические параметры линии передачи
Ширина линии (W): Ширина линии является важным фактором, влияющим на импеданс. Для односторонних линий увеличение ширины линии снижает характеристический сопротивление. Например, когда ширина микрополосковой линии увеличивается с 0.2 мм до 0.4 мм, характеристический импеданс 𝑍₀ может уменьшиться с 60 Ом до 40 Ом. Для дифференциальных линий увеличение расстояния между дорожками (S) повышает дифференциальный сопротивление. Например, увеличение расстояния между дорожками с 0,3 мм до 0,5 мм может повысить дифференциальный сопротивление 𝑍𝑑𝑖𝑓𝑓 с 90 Ом до 110 Ом.
Толщина диэлектрика (H): Толщина диэлектрика обозначает расстояние между линией передачи и опорной плоскостью (плоскостью заземления/питания). Увеличение толщины диэлектрика обычно повышает сопротивление. Например, увеличение толщины диэлектрика микрополоски с 0,1 мм до 0,2 мм может привести к увеличению 𝑍₀ с 50 Ом до 65 Ом.
Толщина медной фольги (T): Толщина медной фольги также влияет на сопротивление. Более толстая медь обычно уменьшает влияние скин-эффекта, хотя сопротивление может немного снизиться. Например, переход с 1 унции на 3 унции медной фольги может снизить 𝑍₀ с 50 Ом до 48 Ом.
Параметры диэлектрического материала
Диэлектрическая проницаемость (Er): Диэлектрическая проницаемость является ключевым показателем для диэлектрических материалов. Более высокая диэлектрическая проницаемость обычно приводит к более медленному распространению сигнала и более низкому сопротивление. Обычная подложка для печатных плат FR-4 имеет относительную диэлектрическую проницаемость примерно 4,2–4,8 при комнатной температуре и частоте 1 ГГц. Высокочастотные подложки, такие как Rogers RO4350, имеют относительную диэлектрическую проницаемость примерно 3,48, что делает их пригодными для высокочастотных применений, таких как 5G RF. Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость зависит от частоты; например, диэлектрическая проницаемость FR-4 падает до 3,8 при 10 ГГц. Игнорирование частотных характеристик может привести к ошибкам в расчетах.
Параметры конструкции опорной плоскости
Целостность опорной плоскости: конструкция опорной плоскости напрямую влияет на путь обратного тока. Прорези или пустоты в опорной плоскости удлиняют путь обратного тока, что может увеличить эквивалентное сопротивление. Например, прорези под высокоскоростными сигнальными дорожками могут изменить 𝑍₀ с 50 Ом до 70 Ом и вызвать отражение сигнала.
Параметры производственного процесса
Допуски процесса: производственные допуски по ширине линии (обычно ±0.02 мм), толщине диэлектрика (±10 %) и шероховатости медной фольги (влияющей на потери скин-эффекта) могут привести к расхождениям между фактическим сопротивление и теоретическими расчетами. Например, если ширина линии 0,3 мм по проекту становится 0.32 мм из-за отклонения при производстве, 𝑍₀ может уменьшиться с 50 Ом до 47 Ом.
Принцип согласования сопротивление заключается в том, что когда импеданс нагрузки равен характеристическому сопротивление линии передачи, сигналы на линии не отражаются, и вся энергия поглощается нагрузкой. Это состояние называется «согласованием». И наоборот, когда сопротивление нагрузки отличается от характеристического сопротивление линии передачи, сигналы на линии отражаются, и часть энергии возвращается к источнику. Это вызывает отражение, отскок и потерю сигнала, искажая исходную форму сигнала (через явления перерегулирования, недорегулирования и колебаний). Такие искажения напрямую влияют на производительность и функциональность схемы.
Контроль сопротивление Проводники в печатных плат передают различные сигналы. Для повышения скорости передачи данных необходимо увеличить рабочие частоты. Однако такие факторы, как процессы травления, толщина слоев и ширина проводников, могут вызывать колебания значений сопротивление, что приводит к искажению сигнала. Поэтому сопротивление проводников на высокоскоростных печатных платах должен поддерживаться в определенном диапазоне, что называется «контролем сопротивление».
Ключевые точки контроля процесса для управления характеристическим сопротивление в печатных плат
Управление производством и проверка мастер-пленки
Производство мастер-пленки должно осуществляться в условиях контролируемой температуры и влажности, поддерживаемых на уровне 21±2°C и 55±5% относительной влажности, с обеспечением отсутствия пыли.
Внедрение компенсации процесса для колебаний ширины линии.
Проектирование панелей
Ширина краев панелей не должна быть чрезмерно узкой, чтобы обеспечить равномерность покрытия.
Добавьте фиктивные катоды во время гальванического покрытия для достижения рассеивания тока.
Включите тестовые купоны Z0 в конструкцию краев панелей.
Процесс травления
Строго контролируйте параметры процесса травления, чтобы минимизировать боковое травление, внедряя процедуры первоначального контроля.
Свести к минимуму остатки меди, шлака и медных частиц на краях линий.
Проверить ширину линий, чтобы обеспечить соответствие указанным допускам (±10% или ±0,02 мм).
AOI-проверка
Для внутренних слоев точно определить зазоры и выступы проводников. В частности, для высокоскоростных сигналов 2 ГГц платы с зазорами даже 0.05 мм должны быть выбракованы.
Строгий контроль ширины линий внутренних слоев и состояния дефектов имеет первостепенное значение.
Процесс ламинирования
Работайте с использованием вакуумного ламинатора, снижая давление, чтобы минимизировать поток смолы и сохранить как можно больше ее содержания. Смола влияет на диэлектрическую проницаемость ε_r; более высокое содержание смолы приводит к относительно более низкому значению ε_r.
Строго контролируйте допуски по толщине ламинирования. Отклонения в толщине платы указывают на изменения в толщине диэлектрика, которые влияют на характеристический сопротивление Z₀.
Выбор подложки
Резка материала строго соответствует типу платы, указанному заказчиком. Неправильный выбор подложки приводит к неточностям в диэлектрической проницаемости ε_r и толщине платы, что требует брака, даже если другие этапы производства выполнены безупречно. Это связано с тем, что на характеристический сопротивление Z₀ значительно влияет ε_r.
Процесс нанесения паяльной маски
Нанесение паяльной маски на поверхность платы снижает характеристический сопротивление Z₀ сигнальных дорожек на 1–3 Ом. Теоретически следует избегать чрезмерной толщины паяльной маски, хотя ее практическое влияние не является существенным. Медные дорожки изначально контактируют с воздухом (с относительно низкой диэлектрической проницаемостью ε_r), что приводит к более высоким измеренным значениям Z₀. Однако измерения после нанесения паяльной маски показывают снижение Z₀ на 1–3 Ом. Это связано с диэлектрической проницаемостью ε_r паяльной маски, равной 4,0, что значительно выше, чем у воздуха.
Контроль водопоглощения
Готовые многослойные платы должны иметь минимальное водопоглощение. Диэлектрическая проницаемость воды ε_r = 75 приводит к значительному ухудшению и нестабильности характеристического сопротивление Z₀ при поглощении.
Как профессиональный разработчик печатных плат, geopcb обладает обширными и надежными знаниями в области контроля импеданс. Столкнувшись со сложной и критически важной задачей управления сопротивление печатных плат, geopcb применяет строгий профессионализм и исключительную техническую компетентность, чтобы точно учесть все ключевые факторы, влияющие на сопротивление.
