Elementos que afetam a impedância característica de PCB e soluções

Para ser compatível com os requisitos de desenvolvimento como miniaturização, digitalização, alta frequência e múltiplas funções, fios metálicos em PCBs (Placas de Circuito Impresso) como dispositivos de interconexão em equipamentos eletrônicos não apenas determinam a abertura do fluxo de corrente, mas também desempenham um papel como linhas de transmissão de sinal. Em outras palavras, o teste elétrico implementado em PCBs responsáveis ​​pela transmissão de sinais de alta frequência e sinais digitais de alta velocidade tem que confirmar a ativação, desativação e atalho dos circuitos por um lado. Também deve determinar que a impedância característica nunca deve ir além da faixa regulada, por outro lado. Uma palavra, uma placa de circuito nunca alcançará a conformidade com os requisitos, a menos que ambos os requisitos sejam atendidos.


O desempenho do circuito fornecido pelos PCBs deve garantir que a reflexão não ocorra durante o processo de transmissão do sinal; os sinais mantêm-se integrados; a perda de transmissão seja reduzida com o casamento de impedância alcançado. Consequentemente, os sinais de transmissão podem ser alcançados de forma integral, confiável e precisa, sem interferência ou ruído. Este artigo enfoca o controle de impedância característica de placas multicamadas com estrutura de microfita.

Microstrip de superfície e impedância característica

Com alta impedância característica, a microfita de superfície tem sido amplamente aplicada na fabricação de PCB. Um plano de sinal é definido para ser a camada externa controlando a impedância e o material isolante usado para separar o plano de sinal e seu plano de referência adjacente, que pode ser visto claramente na imagem abaixo.

A impedância característica pode ser calculada através da fórmula:.


em que Z₀ refere-se à impedância característica; ε_r à constante dielétrica do material isolante; h à espessura do material isolante entre os traços e o plano de referência; w à largura dos traços; t refere-se à espessura dos traços. A figura abaixo demonstra claramente o significado de cada parâmetro.

Com base na fórmula apresentada acima, pode-se concluir que os elementos que afetam a impedância característica incluem:
a. Constante dielétrica do material isolante (ε_r );
b. Espessura do material isolante (h);
c. Largura dos traços (w);
d. Espessura dos traços (t).


Pode-se concluir ainda que a impedância característica está intimamente relacionada com o material do substrato (material CCL). Assim, muitas considerações devem ser levadas em consideração na seleção do material do substrato.

Constante dielétrica e seus efeitos

A constante dielétrica do material é medida pelos fabricantes de materiais quando a frequência cai abaixo de 1 MHz. Mesmo o mesmo tipo de material pode diferir entre si quando produzido por fabricantes diferentes devido ao conteúdo de resina diferente. Tome o pano de vidro epóxi como exemplo. A relação entre a constante dielétrica do tecido de vidro epóxi e a frequência pode ser resumida na figura a seguir.

Obviamente, a constante dielétrica diminui conforme a melhoria da frequência. Portanto, a constante dielétrica do material isolante deve ser determinada de acordo com a frequência de operação do material e o valor médio é capaz de atender aos requisitos comuns. A velocidade de transmissão dos sinais diminuirá à medida que a constante dielétrica aumentar, portanto, a constante dielétrica deve ser diminuída se for exigida uma alta velocidade de transmissão do sinal. Além disso, uma alta impedância característica deve ser assegurada por causa de uma alta velocidade de transmissão, que então depende de material com baixa constante dielétrica.

Largura e espessura dos traços

A largura do traço é um dos elementos mais influentes que afetam a impedância característica e a Figura 4 abaixo demonstra a relação entre a impedância característica e a largura do traço.

Com base na Figura 4, pode-se concluir que, à medida que a largura do traço muda em 0,025 mm, a impedância será posteriormente alterada em 5 a 6 ohm. Na fabricação prática de PCB, no entanto, se uma folha de cobre com tolerância de largura de 18μm for selecionada como plano de sinal para controlar a impedância, a tolerância de largura de traço permitida é de ±0,015mm. Se for selecionada folha de cobre com tolerância de largura de 35μm, a tolerância de largura de traço permitida é ±0,003mm. Em conclusão, a mudança na largura do traço levará a uma mudança dramática de impedância. A largura do traço é projetada por projetistas com base em vários requisitos de projeto e deve não apenas atender à demanda de capacidade atual e aumento de temperatura, mas também levar a impedância a um valor esperado. Portanto, a largura do traço deve ser garantida para ser compatível com os requisitos do projeto e dentro da tolerância permitida.


A espessura do traço também precisa ser determinada de acordo com a capacidade de corrente necessária e o aumento de temperatura permitido. Na fabricação, a espessura do revestimento é geralmente de 25μm em média. A espessura do traço é igual à soma da espessura da folha de cobre mais a espessura do revestimento. Deve-se notar que a superfície do traço deve ser limpa antes da galvanoplastia para que o contaminante possa ser eliminado. Caso contrário, a espessura do traço possivelmente sofrerá irregularidades, o que afetará a impedância característica.

Espessura do material isolante

Com base na fórmula apresentada acima para calcular a impedância característica, pode-se concluir que a impedância característica é diretamente proporcional ao logaritmo natural da espessura do material isolante (h). A partir daí, quanto maior "h" se torna, maior "Z₀ " será. Assim, a espessura do material isolante também é um elemento crucial que determina a impedância característica. Como a largura do traço e a constante dielétrica do material foram determinadas antes da fabricação e a espessura do traço pode ser considerada um valor sólido, é um método primário para controlar impedância característica através do controle da espessura da laminação A relação entre a espessura do traço e a impedância característica pode ser resumida na figura a seguir.

A partir desta figura, pode-se indicar que à medida que a espessura aumenta em 0,025 mm, a impedância característica será alterada em 5 a 8 ohms. No entanto, no processo de fabricação de PCB, uma grande mudança possivelmente será causada pela mudança de cada espessura do laminado. De fato, o prepreg com diferentes tipos é selecionado como material isolante na fabricação e a espessura pode ser determinada pelo número de prepreg. Tome microstrip como um exemplo. A Figura 3 pode ser usada para determinar a constante dielétrica do material isolante com base na frequência de trabalho correspondente, após a qual a impedância característica pode ser calculada. Depois, de acordo com a largura do traço e o valor calculado da impedância característica, a Figura 4 pode ser usada para descobrir a espessura do material isolante, com base em qual tipo e contagem de pré-impregnado pode ser deduzido com base na espessura do CCL e da folha de cobre.


De acordo com a Figura 5 acima, mostra-se que a estrutura de microfita apresenta maior impedância característica do que a estrutura stripline com material isolante com a mesma espessura aplicada. Como resultado, a estrutura de microfita é a preferência de transmissão de sinal digital de alta frequência e alta velocidade. Além disso, a característica aumenta com a melhoria da espessura do material isolante. Consequentemente, quando se trata de circuitos de alta frequência com impedância característica estrita, a espessura do material isolante CCL deve manter uma tolerância rigorosa que geralmente é de 10% no máximo. Para placas multicamadas, no entanto, a espessura do material isolante também é um parâmetro de fabricação, portanto, também deve ser rigorosamente controlada.

Em conclusão, mesmo uma pequena mudança em termos de largura do traço, espessura do traço, constante dielétrica e espessura do material isolante pode levar a uma mudança na impedância característica. Além desses elementos, está intimamente relacionado com mais elementos. Portanto, é de grande necessidade que os fabricantes estejam totalmente cientes dos elementos que provocam mudanças de impedância característica e ajustem os parâmetros de fabricação para que a impedância característica possa ser mantida dentro de uma faixa aceitável.


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