淺談PCB板加工中影響因子對(duì)阻抗的影響

文/蔣修國(guó)

編者注：在5G和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠?dāng)前，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中往往會(huì)隱藏著很多問題小魔鬼，只有知其然，才能更好地找到解決之道。

不管是高速電路、高頻電路還是毫米波，只要是電子產(chǎn)品基本都需要使用到PCB。PCB板的加工是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到各個(gè)方面的問題，比如PCB材料、藥水、加工工藝等等。在這個(gè)過程中會(huì)有很多因素對(duì)傳輸線的阻抗造成影響，比如PCB材料所涉及的銅箔厚度、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角的影響，加工中涉及到的蝕刻因子（Etch），蝕刻藥水的特性、加工穩(wěn)定性等等。本文將從仿真的角度分析其中幾個(gè)影響因子對(duì)阻抗的影響，當(dāng)我們分析阻抗問題的時(shí)候可以多個(gè)思路。

1、傳輸線的線寬

在以前的文章中介紹了很多關(guān)于線寬影響信號(hào)完整性的內(nèi)容，我們知道線寬會(huì)直接影響到傳輸線的阻抗和損耗。大多數(shù)優(yōu)秀工程師都會(huì)在給PCB生產(chǎn)商出Gerber時(shí)規(guī)定好線寬調(diào)整的范圍，比如當(dāng)線寬設(shè)計(jì)為6.2時(shí)，其阻抗為50ohm：

如果PCB在生產(chǎn)過程中工藝不穩(wěn)定，導(dǎo)致線寬變化。依據(jù)與很多數(shù)廠商合作過的經(jīng)驗(yàn)看來，傳輸線線寬的變化會(huì)在10%左右，所以把線寬變化的類型設(shè)置為Gauss分布，std設(shè)置為10%，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，在ADS CILD中仿真分析結(jié)果如下：

從結(jié)果上分析，阻抗最低會(huì)達(dá)到46ohm，而最高達(dá)到了58ohm；如果是在一段很長(zhǎng)的傳輸線上，出現(xiàn)極端的狀態(tài)是會(huì)存在的，那這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致回波損耗比較大，同樣插入損耗也有所增加。

2、銅箔/鍍銅厚度

在PCB產(chǎn)品中，銅厚分為基銅厚度和鍍銅厚度，基銅一般會(huì)比較均勻（這是相對(duì)的，其實(shí)也并不是完全均勻的），而鍍銅的均勻性會(huì)隨著工廠穩(wěn)定性不同而不同，有的相差還比較大。鍍銅厚度不同，同樣會(huì)導(dǎo)致傳輸線阻抗和損耗的變化。把鍍銅的變化范圍假定為10%，在ADS CILD中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：

從結(jié)果分析來看，阻抗主要在49.5到51ohm之間變化。相對(duì)于線寬而言，變化區(qū)間會(huì)小不少。

3、介質(zhì)的厚度

在PCB生產(chǎn)中，介質(zhì)厚度變化的主要來源是原材料和生產(chǎn)過程中的壓合以及填膠。如果介質(zhì)厚度變化，會(huì)造成阻抗的變化，以及損耗的變化，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致傳輸線很大的損耗。

從結(jié)果上分析，阻抗變化分布在44ohm到54ohm之間。阻抗變化的范圍達(dá)到了10ohm之多。

4、蝕刻因子

由于導(dǎo)體都是有一定厚度的，所以在生產(chǎn)中導(dǎo)致蝕刻出來的導(dǎo)線并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“矩形”結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)接近于“梯形”的結(jié)構(gòu)（其實(shí)真實(shí)的狀況也并不是完全的梯形結(jié)構(gòu)），如下圖所示為導(dǎo)體的一個(gè)示意圖：

這個(gè)梯形的角度會(huì)隨著銅厚的變化而變化（鍍銅亦是如此），厚度越薄，角度越接近90°。這個(gè)角度的大小會(huì)影響到阻抗的大小。如下圖所示為90°與70°結(jié)果的對(duì)比：

當(dāng)角度為70°時(shí)，阻抗約為50ohm；當(dāng)角度為90°時(shí)，阻抗約為48.37ohm。

以上都是在單個(gè)因素變化下做的實(shí)驗(yàn)，而在生產(chǎn)過程中，并不是單一變量的變化，可能會(huì)同時(shí)發(fā)生。如果同時(shí)發(fā)生，那么其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖所示：

從結(jié)果中可以看到阻抗主要在40ohm到56ohm之間變化，這個(gè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般50±10%的要求。而在整個(gè)生產(chǎn)過程中還不止這些參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致阻抗的變化。所以對(duì)于高速高頻電路的產(chǎn)品，或者是高端產(chǎn)品，整個(gè)PCB設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中都要嚴(yán)格控制好每一種物料以及每一個(gè)環(huán)節(jié)，否則就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)一些意想不到的問題。