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掉效剖析论文:高速PCB阻抗分歧性研究

  随着旌旗灯号传输的高速化和高频化生长,对印制电路板的阻抗设计及控制精度请求日趋严酷,以增添旌旗灯号在传输历程当中的反射、掉真等,保持传输旌旗灯号的完全性。PCB制造时由于图形漫衍匀称性、PP压合厚度匀称性、线宽匀称性及电镀匀称性等效果存在,会招致不合职位阻抗泛起差异。本文经由历程在不合职位设计单端和差分阻抗线,综合剖析图形漫衍、走线职位漫衍、铜厚等对阻抗分歧性的影响,并对影响阻抗控制的要害因素阻止剖析,一定了影响阻抗分歧性的主要因素及各因素作用强弱,可为PCB临盆时前进PCB阻抗分歧性供应参考和自创。

  1前言

  近年来,随着电子技巧的飞速生长,旌旗灯号的上升沿时间愈来愈短,PCB旌旗灯号传输频率和速率也赓续前进[1]。同时,旌旗灯号传输的高速化和高频化生长使得传输线效应日趋严重[2],旌旗灯号在传输历程当中更容易泛起串扰、反射等效果,为保持传输旌旗灯号的完全性、降低传输消耗,请求PCB在设计、制造历程当中前进阻抗控制精度,尽能够地保证阻抗婚配[3]。关于高频、高速电路,PCB阻抗控制精度通俗控制在10%或7%,部门产物请求控制在5%规模。

  在临盆历程当中,PCB阻抗控制不只要管控统一传输线的阻抗值在规模内(统一传输线阻抗摇动性),还须要保证整板不合传输线均知足控制请求(不合传输线阻抗分歧性)。由于图形内真实走线是曲折的、多样的,没法对每组传输线阻止测试。关于有阻抗控制请求的PCB,现在有数的做法是在PCB的拼版板边或板中央职位设计阻抗测试条,这些测试条与PCB有类似的叠层、线宽/线距等,可经由历程检测测试条的阻抗快速、便利地断定PCB的阻抗控制情形。然则,由于电镀边缘效应、层压板边溢胶大及线路蚀刻匀称性等因素的影响,测试条与真实走线的阻抗存在一定的差异,使得测试条的阻抗效果没法有用代表走线的真实阻抗值。同时,板内图形走线职位是多变的,有些传输线靠近拼版边缘,有些位于拼版的中央职位,而层压流胶、电镀和蚀刻匀称性等会影响拼版不合职位的阻抗值。为完成高精度阻抗控制,前进拼版内不合传输线的阻抗分歧性,降低阻抗测试条与拼版外线路的阻抗差异,必须明确影响阻抗分歧性的因素,并针对性地阻止优化刷新。

  本文经由历程实验设计,针对拼版内阻抗分歧性(真实走线之间、真实走线与阻抗测试条之间)的影响因素阻止剖析探讨,量化剖析了拼版不合职位处的介质层厚度(简称介厚)、介电常数、线宽、铜厚及阻焊层匀称性对阻抗的影响,得出各因素对板边测试条与板内图形阻抗差异的影响巨细,并对差异的组成缘由阻止详细剖析,可为高速PCB阻抗精度及阻抗分歧性控制供应参考。

三分彩   2实验措施

三分彩   2.1质料与装备

  质料:规格为106、1080、3313的半固化片及0.1mm芯板

  装备:安捷伦E5071C搜集剖析仪,金相显微镜

  2.2实验原理及措施

  2.2.1不合职位阻抗差异及影响因素剖析

  接纳不合含胶量的半固化片阻止压合,并在统一板面距板边不合职位处设计50Ω单端线和100Ω差分线。制造完成后接纳搜集剖析仪测试拼版不合职位阻抗,切片剖析拼版不合职位介厚、线宽、铜厚差异。

  流程设计:开料→内层图形→压合→钻孔→沉铜→板镀→外层图形→图形电镀→外层蚀刻→阻焊→沉金→测试

  2.2.2半固化片含胶量对不合职位介厚、介电常数及阻抗的影响剖析

  划分接纳3张106、2张1080.和2张3313半固化片与1oz铜箔阻止压合,尔后蚀去铜箔并丈量不合职位介厚差异,并经由历程软件模拟盘算:(1)拼版不合职位因介质层厚度差招致的阻抗差异;(2)流胶差异对介质层介电常数的影响及由此招致的阻抗差异。

  2.2.3残铜率差异对介厚控制及电镀的影响

  拼版内层图形接纳线宽为177.8μm的线路,经由历程调治线路间距取得残铜率划分为0%-100%的模块(步长为10%),外层残铜率设计为20%、33%和50%。蚀刻后切片剖析拼版不合职位处介厚、线宽和铜厚差异,并接纳软件盘算其对阻抗的影响。

  流程设计:开料→内层图形→压合→板镀→外层干膜→图形电镀→外层蚀刻→测试

  3效果与谈论辩说

  3.1距板边不合距离处阻抗差异

  图6为拼版不合职位处单端线和差分线的阻抗测试效果及照应的介厚、线宽、铜厚变换曲线,由图6A和图6B可知,关于内层线路,靠近板边的单端线(距板边25mm)的阻抗要比板中央小2~3Ω,而板边差分线阻抗则比板中央小3~4Ω,当线路距板边大于或即是50mm时阻抗值变换幅度减小。较量图6A和图6B中的介厚、线宽、铜厚因素可知,三者中介厚受职位影响最大,且其变换纪律与阻抗变换趋势简直分歧;不合职位处单端线宽和差分线宽差异在4μm内,差异较小;而不合职位处铜厚变换则无特定纪律,铜厚差异在1.5μm内。是以,关于内层线路来讲,影响不合职位阻抗分歧性的最大因素是压合后的介厚匀称性,其次则是线宽。

  由图6C和图6D可以看出,关于外层线路,与板边距离越大,阻抗值逐步增大,当线路距板边大于75mm时,阻抗值变换幅度较小,逐步趋于稳固。较量不合职位处介厚、线宽、铜厚可知,板边(25mm处)比板中央介厚小10μm左右,线宽误差在5μm以内。由于电镀边缘效应,板边铜厚要比板中央大2.5μm左右。是以,关于外层线路来讲,影响不合职位阻抗分歧性的最大因素也是介厚匀称性。

  3.2介厚匀称性及其对阻抗的影响

  由前文可知,介厚匀称性对内层和外层阻抗分歧性均有很大的影响,在阻抗设计时,介厚包罗芯板的介质层厚度和半固化片压合后的厚度。通俗来讲,芯板的厚度匀称性较好,不合职位差异较小,但半固化片压合后的介厚及匀称性常与设计值存在误差,现实临盆板不合职位处介厚有所差异(特殊是板边和板中央区域),招致此差异的缘由有:①图形漫衍不均(即残铜率不分歧);②板边流胶速率较快,招致板边职位介厚偏薄。

  (1)残铜率差异对介厚匀称性及阻抗的影响

  关于不合型号PP,压应时流胶长度存在差异,当高残铜率区域、低残铜率或无铜区面积较大时,由于流胶长度限制,不合区域介厚一定存在差异,特殊是中央肠位,由于周围胶的故障,高残铜率区域中央的胶难以填充至缺胶区域,而低残铜率区域中央也较难取得填胶。为此,我们经由历程现实模子盘算出不合基铜厚度时由于残铜率差异招致的介厚差异,并盘算其对阻抗的影响,其效果如表1所示。由表1可知,关于1oz、0.5oz和0.33oz的铜厚,残铜率为80%和无铜区介厚差异划分为25.1μm、12.2μm、8.1μm,以单端微带线为例,此介厚差异会招致阻抗相差4.65Ω、2.36Ω、1.59Ω。

  表1残铜率差异招致的介质层厚度及阻抗差异

  注:阻抗盘算接纳单端微带线模子:Er=3.95,W=305μm.

  图4为单张2116压合后不合残铜率处实测介厚,由图可以看出,当铜厚为0.5oz时,残铜率为0%与残铜率为100%区域介厚相差约为20μm,也即残铜率每相差20%,会招致介厚相差约4μm;当铜厚为1oz时,0%与100%残铜率区域介厚相差约35.5μm,也即残铜率每相差20%,会招致介厚相差约7.1μm。图5为接纳软件模拟盘算的介厚差异招致的阻抗误差,由图可知,关于外层单端线和外层差分线,介厚相差2.5μm,阻抗误差约0.6Ω;关于内层单端线和差分线,介厚相差2.5μm,阻抗误差约为0.25Ω和0.4Ω。是以,板面不合职位处残铜率的差异会对阻抗形成很大的影响,特殊是铜厚较大时。在临盆历程当中,需尽可能增添统一板面不合职位的残铜率差异,当残铜率差异较大时,在不影响电气性能的基本上公正铺设阻流点,减小拼版不合职位的介厚差异。

  (2)含胶量对介厚匀称性及阻抗的影响

  层压时,溢胶会招致板边介厚比板中央更薄,为研究板边不合距离处介厚差异,对不合规格PP压合后距板边不合距离处的介厚阻止了剖析,效果如图6所示。由图可知,统一规格PP,与板边距离越大,介厚呈增大趋势,当距板边75mm时,介厚基础稳固;同时,PP含胶量越大,板边与板中央介厚差异越大(106PP板边与板中央的介厚差约为0.19mm,而3313PP介厚差约为0.08mm)。

  为了更直不雅剖析不合职位与板中央介厚差异,对图6的数据阻止了处置赏罚,其效果如表2所示。由表可知,106与1080PP压合后,板边25mm处与板中央厚度误差划分为10.53%和6.22%,而3313相对较低,误差为4.81%,上述差异泛起的缘由是106与1080PP的含胶量更高,压应时板边溢胶量相对较大,招致板边介厚偏小。

  表2板边不合职位介厚误差

  由于半固化片含胶量差异会招致拼版不合职位处介厚差异,从而招致不合职位的阻抗差异,为剖析含胶量招致的介厚差异对阻抗的影响,接纳软件阻止模拟盘算,其效果如图7所示。由图可知,流胶招致的介厚差异对外层线路(单端线和差分线)阻抗值的影响比内层线路更大(如106PP,板边25mm处外层单端线阻抗比板中央低3.2Ω左右,而内层单端线阻抗只比板中央低1.6Ω左右);且含胶量越高,不合职位阻抗差异越大(如接纳106、1080和3313PP时,板边25mm处外层差分线阻抗值划分比板中央小3.6Ω、2.0Ω和1.5Ω左右);同时,当旌旗灯号线距板边大于50mm时,与板中央的阻抗差异显着小于板边25mm处,且随着距离的增大其阻抗差异值变换不大。

  3.3介电常数差异及其对阻抗分歧性的影响

  PCB所用半固化片主要由树脂、玻璃纤维等组成,其介电常数(ε)主要取决于树脂的介电常数(εr)和玻纤的介电常数(εg)及其所占体积比,其盘算公式为:

  ε=Vr×εr+Vg×εg=Vr×εr+(1-Vr)×εg=(εr-εg)×Vr+εg

  由上式可知,半固化片的介电常数与含胶量成线性关系,由前文可知,106和1080半固化片由于板边流胶量较大,距板边25mm处介质层含胶量比板中央区域低5%-10%,由于树脂的介电常数比玻纤小许多,是以板边的介电常数比板中央区域更大。

三分彩   关于本实验所接纳半固化片,树脂与玻纤的介电常数约为3.0和6.0,团结前文板边不合职位与板中央厚度误差值(表2),可盘算出拼版不合职位由于流胶带来的介电常数差异,其效果如表3所示。由表可知,5%含胶量误差会招致板边的介电常数偏高约0.12,10%含胶量误差会招致板边的介电常数偏高约0.22。

  表3距板边不合距离处Dk值

  由于不合含胶量的PP压合后的流胶差异会招致板边介电常数偏大,从而招致近板边的线路阻抗值比板中央更小。为研究PP流胶招致的介电常数误差对阻抗的影响,接纳软件阻止了模拟盘算,其效果如图8所示。由图8A和8B可知,关于内层单端线,板边25mm处的阻抗较板中央低0.3~0.7Ω;距板边50mm以上时,与板中央阻抗差异在0.3Ω内。关于外层单端线,106PP压合后板边25mm处与板中央阻抗差约为1.1Ω,而1080和3313的差异相对较小,约为0.6Ω;由图8C可知,关于不合含胶量的PP,板边25mm处内层差分线阻抗值与板中央差异在0.6~1.5Ω之间;距板边50mm处的差分线的阻抗值与板中央差异约为0.3~0.6Ω。由图8D可知,关于106和1080PP,距板边25mm处差分阻抗值与板中央差异为1.1~1.9Ω,3313约为0.8Ω左右。

  实验注解,不合含胶量PP的流胶差异会招致板边与板中央的介电常数差异,进而招致板内不合职位处阻抗差异,且其对外层线路的阻抗影响要大于内层线路,含胶量越高不合职位阻抗差异越大。当传输线职位距板边大于或即是50mm时,板边和板内阻抗差异显着小于板边25mm处,且随着距离的增大其差异值变换不大。

  3.4铜厚匀称性及其对阻抗的影响剖析

  (1)内层铜厚

  关于内层线路,影响铜厚匀称性的因素主要有干膜前处置赏罚和棕化段的微蚀作用,经由历程测试干膜前处置赏罚及棕化后板面不合职位处减铜量可知(图9),经由干膜前处置赏罚和棕化后,拼版不合职位处减铜量差异在0.5μm以内,且减铜量与其距板边的距离无显着关系。接纳阻抗软件盘算内层铜厚误差对阻抗的影响,其效果如图10所示。由图可知,当内层铜厚差异为0.5μm时,内层单端线阻抗值相差0.15Ω左右,内层差分线阻抗值相差0.3Ω左右。是以,内层铜厚对不合职位阻抗差异的影响在0.5Ω以内。

  (2)外层铜厚

三分彩   关于外层线路,电镀参数、图形设计(伶仃线、残铜率)等会影响不合职位处铜厚匀称性。图11为不合残铜率模块在类似参数下电镀后距板边不合距离处铜厚测定效果,由图可知,板面残铜率对图镀铜厚有很大的影响,在统一拼版内,低残铜率区域图镀铜厚大(20%残铜率比50%残铜率镀铜厚度大15μm)。同时,残铜率类似时,距板边越近图镀铜厚越大(板边25mm处铜厚比板中央大3.5~7.5μm)。而铜厚差异会影响拼版阻抗分歧性,图12为软件模拟盘算不合铜厚误差对阻抗的影响,由图可知,当板边铜厚比板中央大5μm时,板边单端微带线阻抗会偏小0.35Ω左右,差分微带线阻抗会偏小1.4Ω左右。是以,外层铜厚差异会招致拼版不合职位单端阻抗误差0.3-0.8Ω,差分阻抗误差0.8-2.7Ω。

  3.5蚀刻线宽差异及其对阻抗的影响剖析

三分彩   尽人皆知,线宽控制是影响PCB阻抗控制精度的主要因素。关于内层线路,影响拼版不合职位线宽匀称性的主要因素是暴光要领的选择[5]、显影及蚀刻线匀称性。关于外层线路,由于电镀铜厚匀称性效果,线宽控制相对艰辛,影响不合职位线宽匀称性的因素有暴光、铜厚和蚀刻等。

  图13为0.5oz和1oz的芯板经内层图形转移后的线宽测试效果,由图可知,0.5oz基铜时距板边不合距离处线宽差异在2.5μm左右;而1oz基铜时靠近板边处线宽比板中央区域偏小0~5μm。关于内层单端线,板边线宽偏小5μm会使得其阻抗值偏大0.8Ω左右;关于内层差分线,板边线宽偏小5μm会使得其阻抗值偏大1.8Ω左右。

  图14为0.33oz基铜经板镀和图形电镀后蚀刻线宽测试效果,由图可知,不合残铜率下,距板边25mm处线宽比板中央大5~15μm;残铜率越低,蚀刻后板中央区域线宽相对较小。实验板制造前SES线蚀刻匀称性已调剂至3%以内,板面不合职位蚀刻量差异较小,泛起上述线宽差异的主要缘由是电镀边缘效应招致板边铜厚大于板中央(如图11),从而招致蚀刻后线宽偏大。蚀刻线宽差异会影响拼版阻抗分歧性,经由历程软件模拟盘算得知,当板边线宽比板中央偏大5μm时,会招致外层单端线和差分线阻抗偏小0.7Ω和1.2Ω左右;而当板边线宽比板中央偏大15μm时,板边外层单端线和差分线阻抗会比板中央划分偏小1.9Ω和3.4Ω左右。

  4结论

  经由历程以上实验和剖析,对影响PCB阻抗分歧性的主要因素及各因素影响强弱有了直不雅的熟悉,主要结论及改良建议以下:

  (1)当线路距板边小于25mm时,线路阻抗值比板中央偏小1~4Ω,而线路距板边大于50mm时阻抗值受职位影响变换幅度减小,在知足拼版应用率条件下,建议优先选择开料尺寸知足阻抗线到板边距离大于25mm;

  (2)影响PCB拼版阻抗分歧性最主要的因素是不合职位介厚匀称性,其次则是线宽匀称性;

  (3)拼版不合职位残铜率差异会招致阻抗相差1~3Ω,当图形漫衍匀称性较差时(残铜率差异较大),建议在不影响电气性能的基本上公正铺设阻流点和电镀分流点,以减小不合职位的介厚差异和镀铜厚度差异,从而前进阻抗分歧性;

三分彩   (4)半固化片含胶量越低,层压后介厚匀称性越好,板边流胶量大会招致介厚偏小、介电常数偏大,从而形成近板边线路的阻抗值小于拼版中央区域;

  (5)关于内层线路,拼版不合职位因线宽和铜厚招致的阻抗差异较小,关于外层线路,铜厚差异对阻抗的影响在2Ω内,但铜厚差异惹起的蚀刻线宽差异对阻抗亦有很大的影响。

  参考文献

  [1]唐万明,黄华.高速PCB高精度特点阻抗设计[J].数字通讯2014,41(4):59-62.

  [2]吴均,王辉,周佳永.Cadence印刷电路板设计[M].北京:电子工业出书社,2012.

  [3]袁欢欣,苏藩春.印制电路板微电阻及特点阻抗的精度控制[J].印制电路信息,2009,11:51-57.

  [4]王红飞,陈蓓.含胶量对介质厚度匀称性及阻抗控制的影响[J].印制电路信息,2012,S1:174-179.

  [5]何思军.PCB特点阻抗控制精度探讨[J].印制电路信息,2006,S1:214-219.

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