Estratégias-Chave de Projeto de Impedância para PCBs Flex-Rígidos

À medida que produtos eletrônicos testemunham rápido desenvolvimento, o mercado exige exigências cada vez maiores para PCBs flex-rígidos (flex-rigid PCB) e controle de impedância simultaneamente, com requisitos cada vez mais rigorosos. O principal problema enfrentado por PCBs flex-rígidos com requisito de impedância reside na grande diferença entre valor medido e valor de projeto, chegando a mais de 20 Ω, levando à falha de compensação de projeto e dificuldade em controlar a fabricação. Este artigo discute principalmente como atender rigorosa precisão de controle de impedância na perspectiva de projeto de PCB, esperando beneficiar profissionais da indústria de fabricação de PCB.

Análise de Controle de Impedância

Elementos principais que afetam impedância incluem constante dielétrica, espessura do meio, largura da trilha e espessura do cobre.

Baseado em análise de seção transversal, quando dados práticos de seção transversal são aplicados em módulos, a diferença entre valor calculado e valor prático medido por instrumento de impedância está na faixa de 14 Ω a 33 Ω, resumida na tabela a seguir.

Valor Teórico (Ω)	Valor Medido (Ω)	Diferença (Ω)
113	143	30
109	134	25
95	112	17
93	107	14
120	153	33
110	139	29
96	119	23
95	116	21
125	153	28
110	141	31
100	123	23
90	110	20
124	151	27
112	137	25
104	123	19
95	113	18

Baseado na diferença demonstrada, a diferença entre valor teórico e medido é muito grande possivelmente devido às seguintes razões:

Durante projeto de engenharia, o acesso é incorretamente substituído ao parâmetro de software.

Conforme fatores que afetam impedância e dados de seção transversal, talvez apenas a constante dielétrica leve a acesso impreciso. Baseado no conceito combinado de constante dielétrica, sabe-se que a constante dielétrica do material de substrato PCB é resultado abrangente da constante dielétrica do material dielétrico no substrato, que pode ser indicada aproximadamente pela soma ponderada da constante dielétrica da resina no material dielétrico e da constante dielétrica do material de reforço. No entanto, no material flexível, é composto por adesivo e PI (poliamida). Assim, a constante dielétrica do material flexível é a constante dielétrica abrangente de ambos adesivo e PI.

Design do módulo de medição é incorreto para PCB.

Durante processo de projeto de impedância, medição de linha de impedância geralmente envolve projeto de linha de transmissão e plano de referência e deve ser garantido que certa distância seja mantida entre borda de cobre do plano de referência e linha de impedância. Quanto a esta situação, a distância é apenas 0,5 mm, que pode ser muito curta, levando à completa ignorância deste plano de referência.

Esquema Experimental

Passo 1: Dados de engenharia são projetados para verificar respectivamente:

• i. Influência da folha de cobre de transmissão na impedância quando adicionada ou não ao módulo de medição.
• ii. Influência da distância entre borda da folha de cobre e linha de impedância no módulo de medição. Distância horizontal entre borda de projeto e linha de impedância é respectivamente 0,5 mm e 4,5 mm.
• iii. Design do módulo de medição decide influência de plano de referência em grade e folha de cobre na impedância.

Passo 2: Placa flexível é fabricada e impedância medida.

Passo 3: Acesso de seção transversal é substituído no módulo para calcular impedância teórica e calculada conforme constante dielétrica abrangente do material dielétrico para eliminar erros causados por acesso.

Passo 4: Conclusões podem ser feitas através de comparação de dados: método de acesso de parâmetro e regulamentos de design do módulo de medição.

Resultado Experimental

1. Conforme esquema experimental com e sem folha de cobre de transmissão adicionada ao módulo, dados originais indicam que impedância leva a diferença tão pequena entre adicionar e não adicionar. Conclui-se que não há influência na impedância seja a folha adicionada ou não.
2. Conforme esquema baseado na distância entre borda da folha de cobre do plano de referência e linha de impedância, diferença de impedância é tão pequena que conclui-se que a distância não tem influência na impedância.
3. Conforme esquema baseado em grade e módulo de folha de cobre para plano de referência do módulo de medição, conclui-se que impedância será dramaticamente influenciada quando plano de referência for projetado como folha de cobre e grade.
4. Conforme esquema sobre diferentes larguras de trilha, grades e módulos de folha de cobre com diferentes tamanhos, conclui-se que quando grade é projetada como plano de referência, está associada à taxa de resíduo de cobre. Quanto maior a taxa, menor diferença com folha de cobre. Quanto menor a taxa, maior diferença. Portanto, quando grade é usada como plano de referência, cobre deve ser preenchido no local de referência compatível com posição da linha de impedância.
5. Conforme módulo de medição de projeto prático, acesso de seção transversal é substituído no módulo para calcular impedância teórica comparada com impedância medida. Como material flexível é composto por adesivo e PI, constante dielétrica deve ser a abrangente de ambos ou constante única adquirida via software de cálculo. Baseado em resultados anteriores, conclui-se que constante dielétrica de PI é 2,8 enquanto a de adesivo é 3,5. Como resultado, ao substituir dados no software, precisão da constante dielétrica será verificada.

Considerações do Projetista de PCB Flex-Rígido no Projeto de Impedância

Consideração #1: Plano de referência deve ser plano de referência em grade e folha de cobre.

Baseado nos resultados experimentais, projeto baseado em plano de referência de folha de cobre atende requisito de impedância de PCB flex-rígido. Quando plano de referência em grade é projetado, quanto maior a grade, maior diferença gerará entre impedância de grade para taxa mínima de resíduo de cobre e impedância de folha de cobre; quanto menor a grade, menor diferença entre impedância de grade para taxa máxima de resíduo e impedância de folha de cobre.

Em conclusão, design de grade como plano de referência está relacionado com tamanho da grade, ou seja, taxa de resíduo de cobre. Quanto maior a taxa, menor diferença entre ela e impedância de folha de cobre e dados teóricos. Quanto menor a taxa, maior diferença. Como resultado, quando grade é selecionada como plano de referência, cobre deve ser preenchido no plano de referência compatível com posição da linha de impedância correspondente.

Consideração #2: Impedância de PCB flex-rígido deve ser projetada dependendo da funcionalidade de adição de software de cálculo de impedância.

Comparado com software comum, software com funcionalidade de adição contém função de aquisição de acesso para cada camada de meio e performa mais precisamente em aquisição de acesso. Além disso, é mais fácil simular situações práticas e mais conveniente para projeto de engenharia.

Consideração #3: Constante dielétrica de cada camada única é adquirida em placa flex-rígida.

Pode ser verificado baseado em experimentos em escala real que constante dielétrica de PI é 2,8 enquanto a de adesivo é 3,5, que pode ser usada como referência para projetista de placa flex-rígida. Cálculo teórico baseado na aplicação de software com funcionalidade de adição atende demanda de clientes de PCB flex-rígido.

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