探討高頻PCB特性阻抗控制精度

2016-12-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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(shuō)明這一需求的發(fā)展趨勢(shì)。

最初對(duì)PCB確立±10%的控制精度要求是由電路中800MHz頻率信號(hào)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)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(lái)的±15%或±10%,有的阻抗控制精度要求提高到±8%甚至±5%,這對(duì)PCB制造廠來(lái)說(shuō)確實(shí)是很大的挑戰(zhàn)。本文主要針對(duì)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(duì)PCB制造業(yè)同行有所幫助。

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%Ω還算容易,但要達(dá)到75±5%Ω,甚至50±5%Ω時(shí)就會(huì)有點(diǎn)難度,誤差5%即使對(duì)于技術(shù)規(guī)格要求較高的應(yīng)用而言也是不常見(jiàn)的,但還是有一些客戶對(duì)阻抗控制精度提出了±5%的要求,現(xiàn)舉例來(lái)說(shuō)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(jiàn)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%Ω(50±2.5Ω),其結(jié)構(gòu)如下:

對(duì)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(lái)談?wù)勎覀児臼侨绾稳ミM(jìn)行控制的。

PCB特性阻抗的模擬計(jì)算

對(duì)于有阻抗控制要求的板,目前,PCB工廠比較常見(jiàn)的做法就是在PCB的生產(chǎn)拼版板邊適當(dāng)位置設(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(huì)預(yù)先采用一些阻抗計(jì)算軟件對(duì)阻抗進(jìn)行模擬計(jì)算,以便對(duì)阻抗進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中英國(guó)POLAR公司開(kāi)發(fā)的CITS測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(cè)量的阻抗結(jié)果之間總會(huì)存在一定的偏差。因此,對(duì)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(cè)就顯得尤為重要了。為此,我們采用英國(guó)POLAR公司開(kāi)發(fā)的最新計(jì)算軟件Polar SI8000K 控制阻抗快速解算器進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),由于客戶要求:為了滿足50±5%Ω的阻抗允許PCB廠可對(duì)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50Ω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):

PCB的生產(chǎn)過(guò)程控制

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(guò)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(guò)曝光顯影出來(lái)的圖形與底片上的圖形會(huì)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(lái)的導(dǎo)線寬度會(huì)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(duì)阻抗帶來(lái)的影響。

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(kāi)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(duì)外層銅厚要求為1OZ, 因此,對(duì)于該四層板壓合時(shí)外層我們選用了1/3OZ 銅箔進(jìn)行壓合,再經(jīng)過(guò)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(duì)導(dǎo)線寬度均勻性的控制。

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(duì)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(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)性比較均勻,層壓出來(lái)的板的板厚平整度可達(dá)到±0.025mm,層間介質(zhì)層的厚度比較均勻。

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(guò)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(guò)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(huì)對(duì)蝕刻均勻性方面帶來(lái)不利),從而有利于對(duì)PCB特性阻抗的控制及減少其的波動(dòng)性。

其他方面

當(dāng)然,為了滿足客戶50±5%Ω(50±2.5Ω)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,以確保導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線表面綠油層厚度的均勻性。

PCB的阻抗測(cè)量

阻抗測(cè)量通常使用時(shí)域反射計(jì) (TDR) 來(lái)完成,TDR(時(shí)域反射計(jì))已成為測(cè)量印刷電路板上的特性阻抗的既定技術(shù)。對(duì)于測(cè)量阻抗要求精度為±5%的特性阻抗來(lái)說(shuō)阻抗測(cè)量也是非常重要的,一定要確保測(cè)量的正確性,否則會(huì)導(dǎo)致阻抗合格的板件誤測(cè)為不合格。

測(cè)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(cè)量的 TDR 是高精度的 RF 測(cè)量工具,在測(cè)量過(guò)程中,TDR測(cè)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(guò)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可以將阻抗測(cè)量誤差減少。

測(cè)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(cè)量的阻抗下降,為此,測(cè)試人員在進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中不可將手或手指放在阻抗COUPON上。

測(cè)試時(shí)采用固定的測(cè)試夾具將阻抗COUPON固定測(cè)試

一般測(cè)試阻抗時(shí)常的做法是將阻抗COUPON直接放置在工作臺(tái)面上進(jìn)行測(cè)試,這都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果,因?yàn)楣ぷ髋_(tái)面具有它本身的絕緣常數(shù),阻抗 COUPON如果與工作臺(tái)面直接接觸,得到的阻抗測(cè)試結(jié)果都會(huì)偏低,當(dāng)然,對(duì)于阻抗控制精度要求不是很嚴(yán)的情況下尚可,而對(duì)于測(cè)試類似測(cè)量阻抗要求精度為 ±5%的特性阻抗時(shí)就應(yīng)該采用固定的測(cè)試夾具將阻抗COUPON固定測(cè)試。

測(cè)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(guò)程中會(huì)磨損,一旦RF線纜和探針破損都會(huì)影響阻抗測(cè)量結(jié)果,因此, 測(cè)量時(shí)檢查RF線纜和探針磨損,以保證確保測(cè)量的正確性.

其他方面

當(dāng)然,為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,在測(cè)量過(guò)程中要求測(cè)試區(qū)域附近的移動(dòng)電話關(guān)閉,在測(cè)量中要求TDR阻抗測(cè)試探針與阻抗測(cè)試COUPON接觸保證良好等。

結(jié)果與討論

以下是采用TDR測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試該板的阻抗測(cè)試結(jié)果,從結(jié)果可看出該板所測(cè)試的阻抗都在47.5∽52.5Ω之間,即完全滿足客戶50±5%Ω(50± 2.5Ω)的阻抗要求. 因此,可看出對(duì)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)測(cè),結(jié)合模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)相應(yīng)的一些參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整,在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)重點(diǎn)工序加以特別的控制,同時(shí),測(cè)量時(shí)確保測(cè)量的正確性,還是可以達(dá)到的。