Per essere compatibili con i requisiti di sviluppo quali miniaturizzazione, digitalizzazione, alta frequenza e funzioni multiple, i fili metallici sui PCB (Printed Circuit Boards), in quanto dispositivi di interconnessione nelle apparecchiature elettroniche, non solo determinano l’apertura del flusso di corrente, ma svolgono anche il ruolo di linee di trasmissione del segnale. In altre parole, il test elettrico eseguito sui PCB responsabili della trasmissione di segnali ad alta frequenza e segnali digitali ad alta velocità deve, da un lato, confermare l’apertura, l’interruzione e i cortocircuiti dei circuiti. Dall’altro lato, deve anche stabilire che l’impedenza caratteristica non superi mai l’intervallo regolamentato. In una parola, una scheda elettronica non soddisferà mai i requisiti se entrambe le condizioni non sono rispettate.
Le prestazioni del circuito fornite dai PCB devono garantire che non si verifichino riflessioni durante il processo di trasmissione del segnale, che i segnali rimangano integri e che la perdita di trasmissione sia ridotta grazie al raggiungimento dell’adattamento d’impedenza. Di conseguenza, i segnali di trasmissione possono essere ottenuti in modo integrale, affidabile e accurato, senza interferenze o rumore. Questo articolo si concentra sul controllo dell’impedenza caratteristica delle schede multistrato con struttura a microstriscia.
Microstriscia di superficie e impedenza caratteristica
Con un’elevata impedenza caratteristica, la microstriscia superficiale è stata ampiamente applicata nella fabbricazione di PCB. Un piano di segnale è impostato come strato esterno per controllare l’impedenza e viene utilizzato un materiale isolante per separare il piano di segnale dal piano di riferimento adiacente, come si può vedere chiaramente nell’immagine sottostante.
L'impedenza caratteristica può essere calcolata tramite la formula:
.
in cuiZ0si riferisce all'impedenza caratteristica;εralla costante dielettrica del materiale isolante;hallo spessore del materiale isolante tra le piste e il piano di riferimento;walla larghezza delle tracce;tsi riferisce allo spessore delle tracce. La figura sottostante illustra chiaramente il significato di ciascun parametro.
Sulla base della formula mostrata sopra, si può concludere che gli elementi che influenzano l’impedenza caratteristica includono:
a. Costante dielettrica del materiale isolante (εr);
b. Spessore del materiale isolante (h);
c. Larghezza delle tracce (w);
d. Spessore delle piste (t).
Si può inoltre concludere che l’impedenza caratteristica è strettamente correlata al materiale del substrato (materiale CCL). Pertanto, è necessario prendere in considerazione molteplici aspetti perselezione del materiale del substrato.
Costante dielettrica e i suoi effetti
La costante dielettrica di un materiale viene misurata dai produttori di materiali quando la frequenza è inferiore a 1 MHz. Anche lo stesso tipo di materiale può differire quando è prodotto da diversi produttori a causa del diverso contenuto di resina. Prendendo come esempio il tessuto di vetro epossidico, la relazione tra la costante dielettrica del tessuto di vetro epossidico e la frequenza può essere riassunta nella figura seguente.
Ovviamente, la costante dielettrica diminuisce con l’aumento della frequenza. Pertanto, la costante dielettrica del materiale isolante dovrebbe essere determinata in base alla frequenza di esercizio del materiale e un valore medio è in grado di soddisfare i requisiti ordinari. La velocità di trasmissione dei segnali diminuirà all’aumentare della costante dielettrica, quindi la costante dielettrica deve essere ridotta se è richiesta un’elevata velocità di trasmissione del segnale. Inoltre, per garantire un’elevata velocità di trasmissione è necessario assicurare un’elevata impedenza caratteristica, che a sua volta dipende da un materiale con bassa costante dielettrica.
Larghezza e spessore delle piste
La larghezza della traccia è uno degli elementi più influenti che incidono sull’impedenza caratteristica e la Figura 4 qui sotto mostra la relazione tra l’impedenza caratteristica e la larghezza della traccia.
Sulla base della Figura 4, si può concludere che, al variare della larghezza della traccia di 0,025 mm, l’impedenza cambierà di conseguenza di 5–6 ohm. Tuttavia, nella produzione pratica di PCB, se si seleziona un foglio di rame con una tolleranza di larghezza di 18 μm come piano di segnale per controllare l’impedenza, la tolleranza ammessa sulla larghezza della traccia è di ±0,015 mm. Se si seleziona un foglio di rame con una tolleranza di larghezza di 35 μm, la tolleranza ammessa sulla larghezza della traccia è di ±0,003 mm. In conclusione, la variazione della larghezza della traccia porterà a un cambiamento significativo dell’impedenza. La larghezza della traccia è progettata dai progettisti sulla base di molteplici requisiti di progetto e non deve solo soddisfare le esigenze di capacità di corrente e di aumento di temperatura, ma anche portare l’impedenza a un valore previsto. Pertanto, la larghezza della traccia deve essere garantita compatibile con i requisiti di progetto e rientrare nella tolleranza ammessa.
Lo spessore delle piste deve inoltre essere determinato in base alla capacità di corrente richiesta e all’aumento di temperatura consentito. In produzione, lo spessore del rivestimento è generalmente in media di 25 μm. Lo spessore della pista è pari alla somma dello spessore del foglio di rame e dello spessore del rivestimento. Va notato che la superficie della pista deve essere pulita prima della galvanizzazione, in modo da eliminare i contaminanti. In caso contrario, lo spessore della pista potrebbe risultare irregolare, influenzando così l’impedenza caratteristica.
Spessore del materiale isolante
Sulla base della formula introdotta sopra per determinare l’impedenza caratteristica, si può concludere che l’impedenza caratteristica è direttamente proporzionale al logaritmo naturale dello spessore del materiale isolante (h). Successivamente, più grande diventa la "h", più grande diventa la "Z0sarà. Pertanto, lo spessore del materiale isolante è anche un elemento cruciale che determina l’impedenza caratteristica. Poiché la larghezza della traccia e la costante dielettrica del materiale sono state determinate prima della produzione e lo spessore della traccia può essere considerato un valore fisso, il metodo principale per controllare l’impedenza caratteristica consiste nel controllare lo spessore della laminazione. La relazione tra lo spessore della traccia e l’impedenza caratteristica può essere riassunta nella figura seguente.
Da questa figura si può notare che, quando lo spessore aumenta di 0,025 mm, l’impedenza caratteristica varia di 5–8 ohm. Tuttavia, nel processo di produzione dei PCB, un grande cambiamento può essere causato da una variazione di ciascuno spessore del laminato. In realtà, nel processo di fabbricazione si selezionano prepreg di diversi tipi come materiale isolante e lo spessore può essere determinato dal numero di strati di prepreg. Prendendo come esempio la microstriscia, la Figura 3 può essere utilizzata per determinare la costante dielettrica del materiale isolante in base alla corrispondente frequenza di lavoro, dopo di che si può calcolare l’impedenza caratteristica. Successivamente, in base alla larghezza della traccia e al valore calcolato dell’impedenza caratteristica, la Figura 4 può essere utilizzata per determinare lo spessore del materiale isolante, sulla base del quale il tipo e il numero di strati di prepreg possono essere dedotti dallo spessore del CCL e del foglio di rame.
In conformità con la Figura 5 sopra, si mostra che la struttura microstrip presenta un’impedenza caratteristica più elevata rispetto alla struttura stripline quando viene applicato un materiale isolante dello stesso spessore. Di conseguenza, la struttura microstrip è preferita per la trasmissione di segnali digitali ad alta frequenza e ad alta velocità. Inoltre, l’impedenza caratteristica aumenta con l’aumentare dello spessore del materiale isolante. Pertanto, per i circuiti ad alta frequenza con impedenza caratteristica rigorosa, lo spessore del materiale isolante del CCL deve mantenere una tolleranza stringente che di solito è al massimo del 10%. Per i circuiti multistrato, tuttavia, lo spessore del materiale isolante è anche un parametro di produzione, quindi deve essere anch’esso rigorosamente controllato.
In conclusione, anche una lieve variazione della larghezza e dello spessore delle tracce, della costante dielettrica e dello spessore del materiale isolante può determinare una variazione dell’impedenza caratteristica. Oltre a questi elementi, essa è strettamente correlata a molti altri fattori. Pertanto, è di fondamentale importanza che i produttori siano pienamente consapevoli degli elementi che provocano variazioni dell’impedenza caratteristica e regolino i parametri di produzione affinché l’impedenza caratteristica possa essere mantenuta entro un intervallo accettabile.
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