Um den Entwicklungsanforderungen wie Miniaturisierung, Digitalisierung, hoher Frequenz und Mehrfachfunktionen gerecht zu werden, bestimmen die Metallleiterbahnen auf Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) als Verbindungselemente in elektronischen Geräten nicht nur das Öffnen und Schließen des Stromflusses, sondern dienen auch als Signalübertragungsleitungen. Mit anderen Worten: Elektrische Tests, die auf PCBs durchgeführt werden, die für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen und hochgeschwindigen Digitalsignalen verantwortlich sind, müssen einerseits das Ein-, Aus- und Kurzschließen von Schaltungen bestätigen. Andererseits muss dabei sichergestellt werden, dass die charakteristische Impedanz niemals den vorgeschriebenen Bereich überschreitet. Kurz gesagt: Eine Leiterplatte erfüllt die Anforderungen nur dann, wenn beide Bedingungen eingehalten werden.
Die von Leiterplatten bereitgestellte Schaltungsleistung muss sicherstellen, dass während des Signalübertragungsprozesses keine Reflexionen auftreten, die Signale intakt bleiben und der Übertragungsverlust durch erzielte Impedanzanpassung reduziert wird. Folglich können Übertragungssignale integral, zuverlässig und präzise ohne Störungen oder Rauschen übertragen werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Kontrolle der charakteristischen Impedanz von Mehrlagenplatinen mit Mikrostreifenstruktur.
Oberflächen-Mikrostreifen und charakteristische Impedanz
Mit hoher charakteristischer Impedanz wird die Oberflächen-Mikrostreifenleitung in der Leiterplattenfertigung weit verbreitet eingesetzt. Eine Signalleiterbahn wird als Außenlage zur Impedanzkontrolle ausgeführt, und ein Isoliermaterial wird verwendet, um die Signalleiterbahn von der benachbarten Bezugsebene zu trennen, was im folgenden Bild deutlich zu erkennen ist.
Der Wellenwiderstand kann mit folgender Formel berechnet werden:
.
in demZ0bezieht sich auf die charakteristische Impedanz;εrzur Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials;hzur Dicke des Isoliermaterials zwischen Leiterbahnen und Bezugsebene;wzur Breite der Leiterbahnen;tbezieht sich auf die Dicke der Leiterbahnen. Die Abbildung unten veranschaulicht die Bedeutung jedes Parameters deutlich.
Basierend auf der oben dargestellten Formel kann gefolgert werden, dass die Elemente, die den Wellenwiderstand beeinflussen, Folgendes umfassen:
a. Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials (εr);
b. Dicke des Isoliermaterials (h);
c. Breite der Leiterbahnen (w);
d. Dicke der Leiterbahnen (t).
Es kann weiter gefolgert werden, dass der Wellenwiderstand eng mit dem Substratmaterial (CCL-Material) zusammenhängt. Daher müssen viele Überlegungen inAuswahl des Substratmaterials.
Dielektrizitätskonstante und ihre Auswirkungen
Die Dielektrizitätskonstante eines Materials wird von den Materialherstellern gemessen, wenn die Frequenz unter 1 MHz liegt. Selbst derselbe Materialtyp kann sich unterscheiden, wenn er von verschiedenen Herstellern produziert wird, was auf unterschiedliche Harzgehalte zurückzuführen ist. Nehmen wir Glasfaser-Epoxidharz als Beispiel. Die Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante von Glasfaser-Epoxidharz und der Frequenz lässt sich in der folgenden Abbildung zusammenfassen.
Offensichtlich nimmt die Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Frequenz ab. Daher sollte die Dielektrizitätskonstante von Isoliermaterialien entsprechend der Betriebsfrequenz des Materials bestimmt werden, und ein Mittelwert ist in der Lage, gewöhnliche Anforderungen zu erfüllen. Die Übertragungsgeschwindigkeit von Signalen verringert sich mit steigender Dielektrizitätskonstante, daher muss die Dielektrizitätskonstante reduziert werden, wenn eine hohe Signalübertragungsgeschwindigkeit gefordert ist. Darüber hinaus muss zur Gewährleistung einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit ein hoher Wellenwiderstand sichergestellt werden, was wiederum von einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante abhängt.
Breite und Dicke von Leiterbahnen
Die Leiterbahnbreite ist eines der einflussreichsten Elemente, die die charakteristische Impedanz beeinflussen, und Abbildung 4 unten zeigt die Beziehung zwischen der charakteristischen Impedanz und der Leiterbahnbreite.
Basierend auf Abbildung 4 lässt sich schließen, dass sich bei einer Leiterbahnbreitenänderung von 0,025 mm der Wellenwiderstand anschließend um 5 bis 6 Ohm ändert. In der praktischen Leiterplattenfertigung gilt jedoch: Wenn Kupferfolie mit einer Breitentoleranz von 18 μm als Signallage zur Impedanzkontrolle ausgewählt wird, beträgt die zulässige Leiterbahnbreiten-Toleranz ±0,015 mm. Wird Kupferfolie mit einer Breitentoleranz von 35 μm gewählt, beträgt die zulässige Leiterbahnbreiten-Toleranz ±0,003 mm. Zusammenfassend führt eine Änderung der Leiterbahnbreite zu einer deutlichen Änderung des Wellenwiderstands. Die Leiterbahnbreite wird von den Entwicklern auf Grundlage mehrerer Designanforderungen festgelegt und muss nicht nur den Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Temperaturanstieg genügen, sondern auch die Impedanz auf einen gewünschten Wert bringen. Daher muss sichergestellt werden, dass die Leiterbahnbreite mit den Designanforderungen kompatibel ist und innerhalb der zulässigen Toleranz liegt.
Die Leiterbahndicke muss ebenfalls entsprechend der erforderlichen Stromtragfähigkeit und der zulässigen Temperaturerhöhung bestimmt werden. In der Fertigung beträgt die Beschichtungsdicke im Allgemeinen durchschnittlich 25 μm. Die Leiterbahndicke entspricht der Summe aus Kupferfoliendicke und Beschichtungsdicke. Es ist zu beachten, dass die Leiterbahnoberfläche vor dem Galvanisieren gereinigt werden muss, damit Verunreinigungen entfernt werden können. Andernfalls kann die Leiterbahndicke ungleichmäßig werden, was wiederum die charakteristische Impedanz beeinflusst.
Dicke des Isoliermaterials
Basierend auf der oben eingeführten Formel zur Bestimmung der Wellenimpedanz kann gefolgert werden, dass die Wellenimpedanz direkt proportional zum natürlichen Logarithmus der Dicke des Isoliermaterials ist (h). Danach gilt: Je größer „h“ wird, desto größer „Z0wird. Daher ist auch die Dicke des Isoliermaterials ein entscheidendes Element zur Bestimmung der charakteristischen Impedanz. Da die Leiterbahnbreite und die Dielektrizitätskonstante des Materials vor der Fertigung festgelegt wurden und die Leiterbahndicke als fester Wert betrachtet werden kann, ist es eine primäre Methode, die charakteristische Impedanz durch die Kontrolle der Laminatdicke zu steuern. Die Beziehung zwischen Leiterbahndicke und charakteristischer Impedanz lässt sich in der folgenden Abbildung zusammenfassen.
Aus dieser Abbildung lässt sich erkennen, dass sich bei einer Zunahme der Dicke um 0,025 mm der Wellenwiderstand um 5 bis 8 Ohm ändert. Im Leiterplattenherstellungsprozess kann jedoch durch eine Änderung der Dicke jeder einzelnen Laminatschicht eine erhebliche Abweichung verursacht werden. Tatsächlich wird im Herstellungsprozess Prepreg unterschiedlicher Typen als Isoliermaterial ausgewählt, und die Dicke kann durch die Anzahl der Prepreg-Lagen bestimmt werden. Nehmen wir als Beispiel eine Mikrostreifenleitung. Abbildung 3 kann verwendet werden, um die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials auf Grundlage der entsprechenden Arbeitsfrequenz zu bestimmen, woraufhin der Wellenwiderstand berechnet werden kann. Anschließend kann gemäß der Leiterbahnbreite und dem berechneten Wert des Wellenwiderstands mit Hilfe von Abbildung 4 die Dicke des Isoliermaterials ermittelt werden, auf deren Basis Typ und Anzahl der Prepreg-Lagen aus der Dicke des CCL und der Kupferfolie abgeleitet werden können.
In Übereinstimmung mit Abbildung 5 oben zeigt sich, dass die Mikrostreifenstruktur bei gleicher Dicke des eingesetzten Isoliermaterials einen höheren Wellenwiderstand aufweist als die Stripline-Struktur. Daher ist die Mikrostreifenstruktur die bevorzugte Wahl für die Übertragung hochfrequenter und hochgeschwindiger Digitalsignale. Darüber hinaus steigt der Wellenwiderstand mit zunehmender Dicke des Isoliermaterials. Folglich muss bei Hochfrequenzschaltungen mit strengen Anforderungen an den Wellenwiderstand die Dicke des CCL-Isoliermaterials eine enge Toleranz einhalten, die in der Regel höchstens 10 % beträgt. Bei Multilayer-Leiterplatten ist die Dicke des Isoliermaterials jedoch ebenfalls ein Fertigungsparameter und muss daher ebenfalls streng kontrolliert werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bereits eine geringfügige Änderung der Leiterbahnbreite, der Leiterbahndicke, der Dielektrizitätskonstante und der Dicke des Isoliermaterials zu einer Veränderung der charakteristischen Impedanz führen kann. Abgesehen von diesen Faktoren steht sie in engem Zusammenhang mit weiteren Einflussgrößen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass Hersteller sich der Faktoren, die Änderungen der charakteristischen Impedanz hervorrufen, vollständig bewusst sind und die Fertigungsparameter entsprechend anpassen, damit die charakteristische Impedanz in einem akzeptablen Bereich gehalten werden kann.
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