ปัจจัยที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และแนวทางแก้ไข

เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านการพัฒนา เช่น การมีขนาดเล็กลง การเป็นดิจิทัล ความถี่สูง และการทำงานได้หลายฟังก์ชัน ลวดโลหะบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Boards) ในฐานะอุปกรณ์เชื่อมต่อในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไม่เพียงแต่กำหนดการเปิด–ปิดของการไหลของกระแสไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นสายส่งสัญญาณอีกด้วย กล่าวคือ การทดสอบทางไฟฟ้าที่ดำเนินการบน PCB ซึ่งทำหน้าที่ส่งสัญญาณความถี่สูงและสัญญาณดิจิทัลความเร็วสูง จะต้องยืนยันสถานะการต่อวงจร การตัดวงจร และการลัดวงจรของวงจรในอีกด้านหนึ่ง และในอีกด้านหนึ่งยังต้องกำหนดให้ค่าความต้านทานเชิงลักษณะต้องไม่เกินช่วงที่กำหนด กล่าวโดยสรุป แผงวงจรจะไม่ถือว่าสอดคล้องตามข้อกำหนด เว้นแต่จะผ่านเงื่อนไขทั้งสองประการนี้

ประสิทธิภาพของวงจรที่แผงวงจรพิมพ์ (PCB) มอบให้นั้นต้องมั่นใจได้ว่าจะไม่เกิดการสะท้อนระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณ สัญญาณยังคงมีความสมบูรณ์ การสูญเสียระหว่างการส่งถูกลดลงด้วยการทำให้ค่าความต้านทานเชิงลักษณะ (impedance) เข้าคู่กัน ดังนั้นจึงสามารถส่งสัญญาณได้อย่างครบถ้วน เชื่อถือได้ และแม่นยำ ปราศจากสัญญาณรบกวนหรือเสียงรบกวน บทความนี้มุ่งเน้นการควบคุมค่าความต้านทานเชิงลักษณะของบอร์ดหลายชั้นที่มีโครงสร้างไมโครสตริป

ไมโครสตริปผิวหน้าและอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ

ด้วยอิมพีแดนซ์ลักษณะสูง ไมโครสตริปแบบผิวหน้าจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยกำหนดให้ระนาบสัญญาณอยู่ที่ชั้นนอกเพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ และใช้วัสดุฉนวนในการแยกระหว่างระนาบสัญญาณกับระนาบอ้างอิงที่อยู่ติดกัน ซึ่งสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนในภาพด้านล่าง

สามารถคำนวณอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะได้โดยใช้สูตร:.

ซึ่งZ₀หมายถึงอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะε_rถึงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวนhถึงความหนาของวัสดุฉนวนระหว่างลายวงจรและระนาบอ้างอิงwกับความกว้างของร่องรอยตหมายถึงความหนาของลายทองแดง รูปด้านล่างแสดงความหมายของแต่ละพารามิเตอร์อย่างชัดเจน

จากสูตรที่แสดงไว้ข้างต้น สามารถสรุปได้ว่าองค์ประกอบที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ ได้แก่:
a. ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวน (ε_r);
b. ความหนาของวัสดุฉนวน (h);
c. ความกว้างของลายวงจร (w);
d. ความหนาของลายวงจร (ต).

สามารถสรุปเพิ่มเติมได้ว่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับวัสดุของแผ่นรอง (วัสดุ CCL) ดังนั้นจึงต้องคำนึงถึงปัจจัยต่าง ๆ เป็นจำนวนมากในการการเลือกวัสดุฐานรอง.

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและผลกระทบของมัน

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุจะถูกวัดโดยผู้ผลิตวัสดุเมื่อความถี่ต่ำกว่า 1MHz แม้ว่าวัสดุชนิดเดียวกันอาจแตกต่างกันได้เมื่อผลิตโดยผู้ผลิตที่ต่างกัน เนื่องจากปริมาณเรซินที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างผ้าใยแก้วอีพ็อกซี่ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของผ้าใยแก้วอีพ็อกซี่กับความถี่สามารถสรุปได้ในรูปต่อไปนี้

เห็นได้ชัดว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ดังนั้นค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวนจึงควรกำหนดตามความถี่ในการทำงานของวัสดุนั้น และการใช้ค่าเฉลี่ยก็เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการทั่วไปได้ ความเร็วในการส่งสัญญาณจะลดลงเมื่อค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเพิ่มขึ้น ดังนั้นค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจึงต้องลดลงหากต้องการความเร็วในการส่งสัญญาณสูง นอกจากนี้ยังต้องทำให้มีอิมพีแดนซ์ลักษณะสูงเพื่อให้ได้ความเร็วในการส่งสัญญาณสูง ซึ่งจะขึ้นอยู่กับการใช้วัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ

ความกว้างและความหนาของลายวงจร

ความกว้างของลายทองแดงเป็นหนึ่งในปัจจัยที่มีอิทธิพลมากที่สุดต่ออิมพีแดนซ์จำเพาะ และรูปที่ 4 ด้านล่างแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์จำเพาะกับความกว้างของลายทองแดง

จากรูปที่ 4 สามารถสรุปได้ว่าเมื่อความกว้างลายทองแดงเปลี่ยนไป 0.025 มม. ค่าความต้านทานอิมพีแดนซ์จะเปลี่ยนไป 5 ถึง 6 โอห์ม อย่างไรก็ตาม ในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) จริง หากเลือกใช้ฟอยล์ทองแดงที่มีค่าความคลาดเคลื่อนของความกว้าง 18μm เป็นชั้นสัญญาณเพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของความกว้างลายทองแดงคือ ±0.015 มม. หากเลือกใช้ฟอยล์ทองแดงที่มีค่าความคลาดเคลื่อนของความกว้าง 35μm ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของความกว้างลายทองแดงคือ ±0.003 มม. โดยสรุป การเปลี่ยนแปลงของความกว้างลายทองแดงจะทำให้ค่าความต้านทานอิมพีแดนซ์เปลี่ยนแปลงอย่างมาก ความกว้างลายทองแดงถูกออกแบบโดยผู้ออกแบบตามข้อกำหนดการออกแบบหลายประการ และไม่เพียงต้องตอบสนองความต้องการด้านกระแสไฟฟ้าและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังต้องทำให้อิมพีแดนซ์เป็นไปตามค่าที่คาดหวัง ดังนั้นจึงต้องมั่นใจได้ว่าความกว้างลายทองแดงมีความสอดคล้องกับข้อกำหนดการออกแบบและอยู่ภายในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้

ความหนาของลายทองแดงยังจำเป็นต้องกำหนดตามความสามารถในการรองรับกระแสที่ต้องการและอุณหภูมิที่ยอมให้เพิ่มขึ้นได้ ในกระบวนการผลิต ความหนาของชั้นเคลือบโดยทั่วไปจะเฉลี่ยอยู่ที่ 25μm ความหนาของลายทองแดงเท่ากับผลรวมของความหนาฟอยล์ทองแดงและความหนาชั้นเคลือบ ควรสังเกตว่าพื้นผิวของลายทองแดงต้องได้รับการทำความสะอาดก่อนการชุบไฟฟ้าเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อน มิฉะนั้นความหนาของลายทองแดงอาจไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจะส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ

ความหนาของวัสดุฉนวน

จากสูตรที่กล่าวถึงข้างต้นในการหาค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะ สามารถสรุปได้ว่าค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะแปรผันโดยตรงกับลอการิทึมธรรมชาติของความหนาของวัสดุฉนวนh). หลังจากนั้น เมื่อ "h" มีค่ามากขึ้น "Z₀ดังนั้น ความหนาของวัสดุฉนวนจึงเป็นองค์ประกอบสำคัญที่กำหนดอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ เนื่องจากความกว้างของลายทองแดงและค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุได้ถูกกำหนดไว้ก่อนการผลิต และความหนาของลายทองแดงสามารถถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ วิธีหลักในการควบคุมอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจึงทำได้ผ่านการควบคุมความหนาของชั้นลามิเนต ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาของลายทองแดงกับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะสามารถสรุปได้ในรูปต่อไปนี้

จากรูปนี้สามารถระบุได้ว่าเมื่อความหนาเพิ่มขึ้น 0.025 มม. ค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะจะเปลี่ยนไป 5 ถึง 8 โอห์ม อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ การเปลี่ยนแปลงอย่างมากอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความหนาแต่ละชั้นลามิเนตได้ ตามความเป็นจริงแล้ว ในการผลิตจะเลือกใช้พรีเพรกชนิดต่าง ๆ เป็นวัสดุฉนวน และความหนาสามารถกำหนดได้จากจำนวนชั้นของพรีเพรก ยกตัวอย่างไมโครสตริปเป็นตัวอย่าง รูปที่ 3 สามารถใช้กำหนาค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวนตามความถี่การทำงานที่สอดคล้องกัน หลังจากนั้นจึงคำนวณหาค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะได้ ต่อมา ตามความกว้างลายทองแดงและค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะที่คำนวณได้ รูปที่ 4 สามารถใช้คำนวณหาความหนาของวัสดุฉนวน ซึ่งจากความหนานี้สามารถ suy ออกชนิดและจำนวนของพรีเพรกได้ โดยอ้างอิงจากความหนาของ CCL และฟอยล์ทองแดง

ตามรูปที่ 5 ด้านบน แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างไมโครสตริปมีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะสูงกว่าโครงสร้างสตริปไลน์เมื่อใช้วัสดุฉนวนที่มีความหนาเท่ากัน ดังนั้นโครงสร้างไมโครสตริปจึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการส่งสัญญาณดิจิทัลความถี่สูงและความเร็วสูง นอกจากนี้ อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะเพิ่มขึ้นเมื่อความหนาของวัสดุฉนวนเพิ่มขึ้น ดังนั้นสำหรับวงจรความถี่สูงที่ต้องการอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะอย่างเข้มงวด ความหนาของวัสดุฉนวน CCL จึงต้องถูกควบคุมให้มีค่าคลาดเคลื่อนที่เข้มงวด ซึ่งโดยทั่วไปไม่เกิน 10% อย่างไรก็ตาม สำหรับบอร์ดหลายชั้น ความหนาของวัสดุฉนวนก็เป็นพารามิเตอร์ด้านการผลิตเช่นกัน จึงจำเป็นต้องควบคุมอย่างเข้มงวดด้วย

โดยสรุปแล้ว แม้การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในด้านความกว้างของลายทองแดง ความหนาของลายทองแดง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และความหนาของวัสดุฉนวน ก็สามารถทำให้ค่าความต้านทานลักษณะเปลี่ยนแปลงได้ นอกจากองค์ประกอบเหล่านี้แล้ว ยังมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปัจจัยอื่น ๆ อีกด้วย ดังนั้น ผู้ผลิตจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตระหนักอย่างถ่องแท้ถึงปัจจัยที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานลักษณะ และปรับพารามิเตอร์การผลิตเพื่อให้ค่าความต้านทานลักษณะคงอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้

PCBCart มีความสามารถในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ที่สามารถควบคุมค่าความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์ให้อยู่ในช่วง ±5% - ±10%ต้องการทราบว่าค่าใช้จ่ายในการทำดีไซน์ตามสั่งของคุณให้กลายเป็นบอร์ดจริง ๆ อยู่ที่เท่าไหร่หรือไม่? ใช้บริการของเราเครื่องคำนวณราคา PCB ออนไลน์เพื่อรับราคาแผงวงจรพิมพ์ของคุณภายในไม่กี่วินาที

ขอใบเสนอราคาทันทีสำหรับการประกอบ PCB และการผลิต PCB

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์:
•การควบคุมอิมพีแดนซ์ในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ของวงจรดิจิทัลความเร็วสูง
•การควบคุมอิมพีแดนซ์ของเวียและอิทธิพลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•ข้อควรพิจารณาในการออกแบบอิมพีแดนซ์สำหรับแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น