3D打印PCB如何幫助阻抗控制的布線

如果您是超高速PCB或高頻RF器件的設(shè)計師，那么您將在PCB設(shè)計軟件中利用阻抗控制的路由功能。這些工具旨在確保傳輸線的阻抗在其長度上保持一致，從而允許在兩端進行端接以防止反射。一致的阻抗還可以確保沿著互連的一致的傳播延遲，從而允許并行高速PCB信號（例如PCIe中的信號）的長度精確匹配以防止歪斜。

由于阻抗控制的布線需要精確制造PCB互連件，因此制造商已花費大量精力完善蝕刻工藝，以確保跡線幾何形狀與PCB設(shè)計軟件中使用的標準幾何形狀匹配。使用3D打印來制造PCB，可使設(shè)計人員超越通常在PCB設(shè)計工具中強制執(zhí)行的標準走線幾何形狀，同時仍可確保精確的阻抗控制。與標準的平面制造工藝相比，這為設(shè)計師提供了更多的選擇來進行阻抗控制的布線和設(shè)計互連。

什么是阻抗控制路由？

在所有需要精確設(shè)計和制造規(guī)格的電子設(shè)備中，某些高速和高頻PCB可能會對阻抗變化敏感。EDA工具現(xiàn)在提供阻抗控制的布線功能，其中互連的阻抗可以通過多種可能的方法來計算。許多標準的布線工具中都實現(xiàn)了諸如電磁場求解器之類的工具，使設(shè)計人員能夠計算出整個互連中的精確阻抗和傳播延遲。

在這種設(shè)計方法中，設(shè)計互連的幾何形狀及其相對于參考平面的位置，以使互連的阻抗取特定值。在PCB上設(shè)計走線時，走線與其參考平面之間的距離通常由芯層或疊層的厚度固定。這在平面PCB基板上進行阻抗控制的布線期間，將設(shè)計人員限制在特定的走線寬度和厚度。

由于阻抗控制在很大程度上取決于精確的導(dǎo)體幾何形狀，因此必須精確地控制制造過程，以確保所制造的走線與設(shè)計數(shù)據(jù)相匹配。在平面PCB工藝中，針對各種互連體系結(jié)構(gòu)，很大程度上解決了在平面基板上進行精確制造的挑戰(zhàn)。但是，這嚴重限制了設(shè)計者創(chuàng)建具有獨特幾何形狀的阻抗控制互連的自由。

相反，噴墨3D打印系統(tǒng)提供的逐層沉積工藝消除了傳統(tǒng)的DFM約束，并允許設(shè)計人員實現(xiàn)幾乎任何阻抗控制的互連體系結(jié)構(gòu)。

無需標準通孔的獨特3D打印互連

在多層PCB中，對通孔的阻抗進行建模和設(shè)計具有精確阻抗的通孔方面進行了許多研究工作。過孔可能會導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，從而導(dǎo)致沿互連的反射。通孔基本上是電感器，因此它們還會在互連線上產(chǎn)生電感性串擾。盡管通孔對于多層板中各層之間的布線至關(guān)重要，但通孔的兩個特性都可能導(dǎo)致信號完整性問題。在許多密集布線的PCB中，或使用引腳數(shù)/球數(shù)高的組件時，通孔通常是不可避免的。

因此，許多PCB設(shè)計指南都建議盡量減少或消除在高速和高頻互連上使用過孔的情況。在mmWave PCB中或邊沿速率非?？斓那闆r下，某些標準的通孔幾何形狀（例如電鍍通孔）會在互連中產(chǎn)生一些插入損耗。這降低了沿互連線的信號電平，并導(dǎo)致向源的輕微反射，從而降低了在接收器處看到的信號電平。在低電平數(shù)字組件中，這可能會導(dǎo)致信號降低到低于鎖存為ON狀態(tài)所需的電平。類似地，在模擬組件中，這會降低互連的SNR。

如果可以在阻抗控制的布線過程中避免使用過孔，則可以避免這些信號完整性問題。當您在PCB中使用3D打印的互連時，您可以設(shè)計一種獨特的互連幾何形狀，不需要用于層轉(zhuǎn)換的通孔。這是兩個不需要互連層過渡的示例互連結(jié)構(gòu)。

示例：同軸互連

一個很好的例子是同軸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是自然屏蔽的，因此可以將內(nèi)部信號線與EMI外部源隔離開來。此體系結(jié)構(gòu)不需要典型的過孔樣式，從而消除了層轉(zhuǎn)換期間的潛在插入損耗。

這種類型的互連體系結(jié)構(gòu)提供了獨特級別的物理層安全性，通常可以通過平面PCB中的帶狀線布線來提供這種安全性。然而，逐層印刷工藝允許沉積這些結(jié)構(gòu)而不受平面PCB制造工藝中標準蝕刻和壓制步驟的約束。

示例：集成電路式互連架構(gòu)

另一個例子是使用集成電路式互連結(jié)構(gòu)，并使用VeCS（垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)）進行層轉(zhuǎn)換，因為這些結(jié)構(gòu)的寄生電感要低得多。

3D打印PCB的其他優(yōu)點

3D打印的使用提供了阻抗控制布線以外的其他制造優(yōu)勢。因為3D打印涉及的制造時間不取決于設(shè)備的復(fù)雜性，所以打印時間是高度可預(yù)測的，并且功能齊全的電路板可以在數(shù)小時內(nèi)完成打印。這同樣適用于打印成本，這是獨立于主板的復(fù)雜性。這使得針對任何應(yīng)用的高混合量，小批量復(fù)雜PCB的制造規(guī)模更容易縮放。

隨著越來越多的材料適用于不同的印刷系統(tǒng)和工藝，設(shè)計人員將擁有更大的自由度，可以使其產(chǎn)品適應(yīng)高度專業(yè)化的應(yīng)用。噴墨3D打印系統(tǒng)目前可以從納米粒子油墨中共沉積導(dǎo)電跡線和基材，并且標準組件已經(jīng)可以嵌入3D打印的PCB中。更大范圍的絕緣和半導(dǎo)電聚合物將使更廣泛的設(shè)備直接在高度復(fù)雜的PCB上進行3D打印。