Fatores-Chave que Influenciam a Impedância Característica de PCB e Soluções Práticas

Para ser compatível com 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 papel como linhas de transmissão de sinal. Em outras palavras, teste elétrico implementado em PCBs responsáveis por transmitir sinais de alta frequência e sinais digitais de alta velocidade tem que confirmar o ligado, desligado e curto-circuitos de circuitos, por um lado. Também deve determinar que a impedância característica nunca deve ir além da faixa regulada, por outro lado. Em uma palavra, uma placa de circuito nunca alcançará conformidade com requisito, a menos que ambos os requisitos sejam atendidos.

Desempenho de circuito fornecido por PCBs tem que garantir que reflexão não ocorrerá durante o processo de transmissão de sinal; sinais mantenham integridade; perda de transmissão seja reduzida com correspondência de impedância alcançada. Consequentemente, sinais de transmissão podem ser alcançados integralmente, confiavelmente e precisamente sem interferência ou ruído. Este artigo foca no controle de impedância característica de placas multicamadas com estrutura microstrip.

Microstrip de Superfície e Impedância Característica

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

Impedância característica pode ser calculada através da fórmula: .

Na qual Z₀ refere-se à impedância característica; εᵣ à constante dielétrica do material isolante; h à espessura do material isolante entre traços e plano de datum; w à largura dos traços; t refere-se à espessura dos traços. A figura abaixo demonstra claramente o significado de cada parâmetro.

Baseado na fórmula exibida acima, pode ser concluído que elementos afetando impedância característica incluem:
a. Constante dielétrica do material isolante (εᵣ);
b. Espessura do material isolante (h);
c. Largura dos traços (w);
d. Espessura dos traços (t).

Pode ser ainda concluído que impedância característica está intimamente relacionada com material de substrato (material CCL). Assim, muitas considerações têm que ser levadas em seleção de material de substrato.

Constante Dielétrica e Seus Efeitos

Constante dielétrica de material é medida por fabricantes de material quando frequência cai sob 1MHz. Mesmo o mesmo tipo de material pode diferir uns dos outros quando são produzidos por fabricantes diferentes, devido a diferente conteúdo de resina. Tome tecido de vidro epóxi como exemplo. Relação entre constante dielétrica de tecido de vidro epóxi e frequência pode ser resumida na figura a seguir.

Obviamente, constante dielétrica diminui à medida que a frequência melhora. Portanto, constante dielétrica do material isolante deve ser determinada de acordo com a frequência de operação do material e valor médio é capaz de atender requisito comum. Velocidade de transmissão de sinais diminuirá à medida que constante dielétrica sobe, então constante dielétrica tem que ser diminuída se uma alta velocidade de transmissão de sinal é demandada. Além disso, alta impedância característica tem que ser assegurada por causa de uma alta velocidade de transmissão, o que então depende de material com baixa constante dielétrica.

Largura e Espessura dos Traços

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

Baseado na Figura 4, pode ser concluído que, à medida que largura do traço muda em 0,025mm, impedância será subsequentemente mudada em 5 a 6 ohm. Na fabricação prática de PCB, no entanto, se foil de cobre com tolerância de largura de 18μm é selecionado como plano de sinal para controlar impedância, a tolerância de largura de traço permitida é ±0,015mm. Se foil de cobre com tolerância de largura de 35μm é selecionado, a tolerância de largura de traço permitida é ±0,003mm. Em conclusão, mudança de largura do traço levará a mudança dramática de impedância. Largura do traço é projetada por designers baseada em múltiplos requisitos de design e não deve apenas atender à demanda de capacidade de corrente e aumento de temperatura, mas levar impedância a um valor esperado. Portanto, largura do traço deve ser assegurada para ser compatível com requisito de design e dentro de tolerância permitida.

Espessura do traço também precisa ser determinada de acordo com capacidade de corrente requerida e aumento de temperatura permitido. Na fabricação, espessura de revestimento é geralmente 25μm em média. Espessura do traço é igual à soma de espessura de foil de cobre mais espessura de revestimento. Deve ser notado que superfície do traço deve ser limpa antes da galvanização, de modo que contaminante possa ser eliminado. Caso contrário, espessura do traço possivelmente sofrerá de irregularidade, que então afeta impedância característica.

Espessura do Material Isolante

Baseado na fórmula introduzida acima calculando impedância característica, pode ser concluído que impedância característica é diretamente proporcional ao logaritmo natural da espessura do material isolante (h). Posteriormente, quanto maior "h" se torna, maior "Z₀" será. Assim, espessura do material isolante também é um elemento crucial determinando impedância característica. Como largura do traço e constante dielétrica de material foram determinadas antes da fabricação e espessura do traço pode ser considerada como um valor sólido, é um método primário controlar impedância característica através do controle de espessura de laminação. Relação entre espessura do traço e impedância característica pode ser resumida na figura a seguir.

Desta figura, pode ser indicado que, à medida que espessura sobe em 0,025mm, impedância característica será mudada em 5 a 8 ohm. No entanto, no processo de fabricação de PCB, grande mudança possivelmente será causada por uma mudança de cada espessura de laminação. De fato, prepreg com diferentes tipos é selecionado como material isolante na fabricação e espessura pode ser determinada pelo número de prepreg. Tome microstrip como exemplo. Figura 3 pode ser usada para determinar constante dielétrica do material isolante baseada na frequência de trabalho correspondente, após o que impedância característica pode ser calculada. Posteriormente, de acordo com largura do traço e valor calculado de impedância característica, Figura 4 pode ser usada para descobrir espessura do material isolante, baseada na qual tipo e contagem de prepreg podem ser deduzidos baseados na espessura de CCL e foil de cobre.

De acordo com a Figura 5 acima, é mostrado que estrutura microstrip apresenta impedância característica mais alta que estrutura stripline com material isolante com a mesma espessura aplicado. Como resultado, estrutura microstrip é a preferência de transmissão de sinal digital de alta frequência e alta velocidade. Além disso, impedância característica sobe com a melhoria da espessura do material isolante. Consequentemente, quando se trata de circuitos de alta frequência com impedância característica rigorosa, espessura de material isolante CCL tem que manter uma tolerância rigorosa que é geralmente 10% no máximo. Para placas multicamadas, no entanto, espessura do material isolante é um parâmetro de fabricação também, então ela também deve ser estritamente controlada.

Em conclusão, até 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, ela está intimamente relacionada com mais elementos. Portanto, é de necessidade significativa para fabricantes estarem plenamente cientes de elementos despertando mudanças de impedância característica e ajustar parâmetros de fabricação, de modo que impedância característica possa ser mantida dentro de uma faixa aceitável.

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