Para ser compatibles con los requisitos de desarrollo como la miniaturización, la digitalización, la alta frecuencia y las funciones múltiples, los conductores metálicos en las PCB (Placas de Circuito Impreso), como dispositivos de interconexión en los equipos electrónicos, no solo determinan la apertura del flujo de corriente, sino que también desempeñan el papel de líneas de transmisión de señales. En otras palabras, las pruebas eléctricas realizadas en las PCB responsables de transmitir señales de alta frecuencia y señales digitales de alta velocidad deben, por un lado, confirmar el encendido, apagado y cortocircuito de los circuitos. Por otro lado, también deben determinar que la impedancia característica nunca sobrepase el rango establecido. En resumen, una placa de circuito nunca cumplirá con los requisitos a menos que se satisfagan ambas condiciones.
El rendimiento de los circuitos proporcionado por las PCB debe garantizar que no se produzcan reflexiones durante el proceso de transmisión de la señal; que las señales se mantengan íntegras; que la pérdida de transmisión se reduzca mediante la adaptación de impedancias. En consecuencia, las señales de transmisión pueden lograrse de forma íntegra, fiable y precisa, sin interferencias ni ruido. Este artículo se centra en el control de la impedancia característica de las placas multicapa con estructura de microcinta.
Microcinta de superficie e impedancia característica
Con una alta impedancia característica, la microcinta superficial se ha aplicado ampliamente en la fabricación de PCB. Se establece un plano de señal como capa externa para controlar la impedancia y se utiliza material aislante para separar el plano de señal de su plano de referencia adyacente, lo cual puede verse claramente en la imagen siguiente.
La impedancia característica se puede calcular mediante la fórmula:
.
en el queZ0se refiere a la impedancia característica;εra la constante dieléctrica del material aislante;hal espesor del material aislante entre las pistas y el plano de referencia;wal ancho de las trazas;tse refiere al grosor de las pistas. La figura siguiente demuestra claramente el significado de cada parámetro.
Basado en la fórmula mostrada arriba, se puede concluir que los elementos que afectan la impedancia característica incluyen:
a. Constante dieléctrica del material aislante (εr);
b. Espesor del material aislante (h);
c. Ancho de las pistas (w);
d. Espesor de las pistas (t).
Se puede concluir además que la impedancia característica está estrechamente relacionada con el material del sustrato (material CCL). Por lo tanto, deben tenerse en cuenta muchas consideraciones enselección de material de sustrato.
Constante dieléctrica y sus efectos
La constante dieléctrica de un material es medida por los fabricantes de materiales cuando la frecuencia se encuentra por debajo de 1 MHz. Incluso el mismo tipo de material puede diferir cuando es producido por distintos fabricantes debido al diferente contenido de resina. Tomemos como ejemplo la tela de vidrio epoxi. La relación entre la constante dieléctrica de la tela de vidrio epoxi y la frecuencia puede resumirse en la siguiente figura.
Obviamente, la constante dieléctrica disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Por lo tanto, la constante dieléctrica del material aislante debe determinarse de acuerdo con la frecuencia de operación del material, y un valor promedio es capaz de satisfacer los requisitos ordinarios. La velocidad de transmisión de las señales disminuirá a medida que aumente la constante dieléctrica, por lo que esta debe reducirse si se requiere una alta velocidad de transmisión de señal. Además, es necesario garantizar una alta impedancia característica para lograr una alta velocidad de transmisión, lo que a su vez depende de un material con baja constante dieléctrica.
Ancho y grosor de las pistas
El ancho de la pista es uno de los elementos más influyentes que afectan a la impedancia característica, y la Figura 4 a continuación muestra la relación entre la impedancia característica y el ancho de la pista.
Según la Figura 4, se puede concluir que cuando el ancho de la pista cambia en 0,025 mm, la impedancia cambiará en adelante entre 5 y 6 ohmios. Sin embargo, en la fabricación práctica de PCB, si se selecciona una lámina de cobre con una tolerancia de ancho de 18 μm como plano de señal para controlar la impedancia, la tolerancia de ancho de pista permitida es de ±0,015 mm. Si se selecciona una lámina de cobre con una tolerancia de ancho de 35 μm, la tolerancia de ancho de pista permitida es de ±0,003 mm. En conclusión, el cambio en el ancho de la pista provocará un cambio drástico en la impedancia. El ancho de la pista es diseñado por los diseñadores en función de múltiples requisitos de diseño y no solo debe satisfacer la demanda de capacidad de corriente y aumento de temperatura, sino también llevar la impedancia a un valor esperado. Por lo tanto, se debe garantizar que el ancho de la pista sea compatible con el requisito de diseño y se mantenga dentro de la tolerancia permitida.
El grosor de las pistas también debe determinarse de acuerdo con la capacidad de corriente requerida y el aumento de temperatura permitido. En la fabricación, el grosor del recubrimiento suele ser en promedio de 25 μm. El grosor de la pista es igual a la suma del grosor del foil de cobre más el grosor del recubrimiento. Cabe señalar que la superficie de la pista debe limpiarse antes del galvanizado para eliminar los contaminantes. De lo contrario, el grosor de la pista posiblemente presentará irregularidades, lo que a su vez afecta la impedancia característica.
Espesor del material aislante
Basándose en la fórmula presentada anteriormente para determinar la impedancia característica, se puede concluir que la impedancia característica es directamente proporcional al logaritmo natural del espesor del material aislante (h). A partir de entonces, cuanto mayor sea la "h", mayor será la "Z0será. Por lo tanto, el espesor del material aislante también es un elemento crucial que determina la impedancia característica. Dado que el ancho de la pista y la constante dieléctrica del material se han determinado antes de la fabricación y el espesor de la pista puede considerarse un valor fijo, el método principal para controlar la impedancia característica es mediante el control del espesor de la laminación. La relación entre el espesor de la pista y la impedancia característica puede resumirse en la siguiente figura.
A partir de esta figura, se puede indicar que, a medida que el espesor aumenta en 0,025 mm, la impedancia característica cambiará entre 5 y 8 ohmios. Sin embargo, en el proceso de fabricación de PCB, un gran cambio posiblemente será causado por una variación en el espesor de cada laminado. De hecho, en la fabricación se selecciona prepreg de diferentes tipos como material aislante y el espesor puede determinarse por la cantidad de prepreg. Tomemos la microcinta como ejemplo. La Figura 3 puede utilizarse para determinar la constante dieléctrica del material aislante en función de la frecuencia de trabajo correspondiente, tras lo cual se puede calcular la impedancia característica. Posteriormente, de acuerdo con el ancho de la pista y el valor calculado de la impedancia característica, la Figura 4 puede utilizarse para determinar el espesor del material aislante, en función del cual se pueden deducir el tipo y la cantidad de prepreg basándose en el espesor del CCL y del foil de cobre.
De acuerdo con la Figura 5 anterior, se muestra que la estructura de microcinta presenta una impedancia característica más alta que la estructura de línea stripline cuando se aplica un material aislante del mismo espesor. Como resultado, la estructura de microcinta es la opción preferida para la transmisión de señales digitales de alta frecuencia y alta velocidad. Además, la impedancia característica aumenta con la mejora del espesor del material aislante. En consecuencia, cuando se trata de circuitos de alta frecuencia con una impedancia característica estricta, el espesor del material aislante del CCL debe mantener una tolerancia rigurosa que suele ser, como máximo, del 10%. Sin embargo, para las placas multicapa, el espesor del material aislante también es un parámetro de fabricación, por lo que también debe controlarse estrictamente.
En conclusión, incluso un ligero cambio en el ancho de la pista, el grosor de la pista, la constante dieléctrica y el grosor del material aislante puede provocar una variación en la impedancia característica. Además de esos elementos, está estrechamente relacionada con otros factores. Por lo tanto, es de suma importancia que los fabricantes sean plenamente conscientes de los elementos que provocan cambios en la impedancia característica y ajusten los parámetros de fabricación para que la impedancia característica pueda mantenerse dentro de un rango aceptable.
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