Éléments affectant l'impédance caractéristique du PCB et des solutions

Afin d'être compatible avec les exigences de développement telles que la miniaturisation, la numérisation, la haute fréquence et les fonctions multiples, les fils métalliques sur les PCB (cartes de circuits imprimés) en tant que dispositifs d'interconnexion dans les équipements électroniques déterminent non seulement l'ouverture du flux de courant, mais jouent également un rôle de lignes de transmission de signaux. En d'autres termes, le test électrique mis en œuvre sur les PCB chargés de transmettre des signaux haute fréquence et des signaux numériques à haut débit doit confirmer l'activation, la désactivation et le raccourci des circuits d'une part. Il doit également déterminer que l'impédance caractéristique ne doit jamais dépasser la plage régulée d'autre part. En un mot, une carte de circuit imprimé n'atteindra jamais la conformité aux exigences si les deux exigences ne sont pas satisfaites.

Les performances du circuit fournies par les PCB doivent garantir qu'aucune réflexion n'aura lieu pendant le processus de transmission du signal ; les signaux restent intégrés ; la perte de transmission doit être réduite grâce à l'adaptation d'impédance. Par conséquent, les signaux de transmission peuvent être obtenus intégralement, de manière fiable et précise sans interférence ni bruit. Cet article se concentre sur le contrôle de l'impédance caractéristique des cartes multicouches à structure microruban.

Microruban de surface et impédance caractéristique

Avec une impédance caractéristique élevée, le microruban de surface a été largement appliqué dans la fabrication de PCB. Un plan de signal est défini pour être une couche externe contrôlant l'impédance et un matériau isolant utilisé pour séparer le plan de signal et son plan de référence adjacent, ce qui est clairement visible dans l'image ci-dessous.

L'impédance caractéristique peut être déterminée par la formule :.

dans laquelle Z₀ fait référence à l'impédance caractéristique; ε_r à la constante diélectrique du matériau isolant ; h à l'épaisseur du matériau isolant entre les traces et le plan de référence ; w à la largeur des traces; t fait référence à l'épaisseur des traces. La figure ci-dessous montre clairement la signification de chaque paramètre.

Sur la base de la formule affichée ci-dessus, on peut conclure que les éléments affectant l'impédance caractéristique incluent :
a. Constante diélectrique du matériau isolant (ε_r );
b. Épaisseur du matériau isolant (h);
c. Largeur des traces (w) ;
d. Epaisseur des traces (t).

On peut en outre conclure que l'impédance caractéristique est étroitement liée au matériau du substrat (matériau CCL). Ainsi, de nombreuses considérations doivent être prises en compte dans la sélection des matériaux de substrat.

Constante diélectrique et ses effets

La constante diélectrique du matériau est mesurée par les fabricants de matériaux lorsque la fréquence tombe en dessous de 1 MHz. Même le même type de matériau peut différer l'un de l'autre lorsqu'il est produit par différents fabricants en raison d'une teneur en résine différente. Prenons l'exemple du tissu de verre époxy. La relation entre la constante diélectrique du tissu de verre époxy et la fréquence peut être résumée dans la figure suivante.

Évidemment, la constante diélectrique diminue avec l'amélioration de la fréquence. Par conséquent, la constante diélectrique du matériau isolant doit être déterminée en fonction de la fréquence de fonctionnement du matériau et la valeur moyenne est capable de répondre aux exigences ordinaires. La vitesse de transmission des signaux diminuera à mesure que la constante diélectrique augmente, de sorte que la constante diélectrique doit être diminuée si une vitesse de transmission de signal élevée est exigée. De plus, une impédance caractéristique élevée doit être assurée pour une vitesse de transmission élevée, qui dépend alors d'un matériau à faible constante diélectrique.

Largeur et épaisseur des traces

La largeur de trace est l'un des éléments les plus influents affectant l'impédance caractéristique et la figure 4 ci-dessous montre la relation entre l'impédance caractéristique et la largeur de trace.

Sur la base de la figure 4, on peut conclure que lorsque la largeur de piste change de 0,025 mm, l'impédance sera ensuite modifiée de 5 à 6 ohms. Dans la fabrication pratique de PCB, cependant, si une feuille de cuivre avec une tolérance de largeur de 18 μm est sélectionnée comme plan de signal pour contrôler l'impédance, la tolérance de largeur de trace autorisée est de ± 0,015 mm. Si une feuille de cuivre avec une tolérance de largeur de 35 μm est sélectionnée, la tolérance de largeur de trace autorisée est de ± 0,003 mm. En conclusion, le changement de largeur de trace conduira à un changement radical d'impédance. La largeur de piste est conçue par les concepteurs en fonction de multiples exigences de conception et elle doit non seulement répondre à la demande de capacité actuelle et d'élévation de température, mais également conduire l'impédance à une valeur attendue. Par conséquent, la largeur de trace doit être garantie pour être compatible avec les exigences de conception et dans les tolérances autorisées.

L'épaisseur de la trace doit également être déterminée en fonction de la capacité de courant requise et de l'élévation de température admissible. Dans la fabrication, l'épaisseur du revêtement est généralement de 25 μm en moyenne. L'épaisseur de la trace est égale à la somme de l'épaisseur de la feuille de cuivre et de l'épaisseur du revêtement. Il convient de noter que la surface de trace doit être nettoyée avant la galvanoplastie afin que les contaminants puissent être éliminés. Sinon, l'épaisseur de la trace souffrira éventuellement d'irrégularités, ce qui affectera alors l'impédance caractéristique.

Épaisseur du matériau isolant

Sur la base de la formule introduite ci-dessus pour déterminer l'impédance caractéristique, on peut conclure que l'impédance caractéristique est directement proportionnelle au logarithme naturel de l'épaisseur du matériau isolant (h). Par la suite, plus "h" devient grand, plus "Z₀ est grand " sera. Ainsi, l'épaisseur du matériau isolant est également un élément crucial déterminant l'impédance caractéristique. Étant donné que la largeur de la trace et la constante diélectrique du matériau ont été déterminées avant la fabrication et que l'épaisseur de la trace peut être considérée comme une valeur solide, il s'agit d'une méthode principale pour contrôler impédance caractéristique en contrôlant l'épaisseur de la stratification. La relation entre l'épaisseur de la trace et l'impédance caractéristique peut être résumée dans la figure suivante.

À partir de cette figure, on peut indiquer qu'à mesure que l'épaisseur augmente de 0,025 mm, l'impédance caractéristique sera modifiée de 5 à 8 ohms. Cependant, dans le processus de fabrication des PCB, d'énormes changements seront probablement causés par un changement d'épaisseur de chaque stratifié. En fait, un préimprégné de différents types est sélectionné comme matériau isolant lors de la fabrication et l'épaisseur peut être déterminée par le nombre de préimprégnés. Prenons l'exemple du microstrip. La figure 3 peut être utilisée pour déterminer la constante diélectrique du matériau isolant en fonction de la fréquence de travail correspondante, après quoi l'impédance caractéristique peut être déterminée. Ensuite, conformément à la largeur de trace et à la valeur calculée de l'impédance caractéristique, la figure 4 peut être utilisée pour déterminer l'épaisseur du matériau isolant, en fonction du type et du nombre de préimprégnés pouvant être déduits en fonction de l'épaisseur du CCL et de la feuille de cuivre.

Conformément à la figure 5 ci-dessus, il est montré que la structure à microruban présente une impédance caractéristique plus élevée que la structure à ligne triplaque avec un matériau isolant avec la même épaisseur appliquée. En conséquence, la structure microruban est la préférence de la transmission de signaux numériques haute fréquence et haute vitesse. De plus, la caractéristique augmente avec l'amélioration de l'épaisseur du matériau isolant. Par conséquent, lorsqu'il s'agit de circuits haute fréquence à impédance caractéristique stricte, l'épaisseur du matériau isolant CCL doit maintenir une tolérance stricte qui est généralement de 10 % au maximum. Pour les panneaux multicouches, cependant, l'épaisseur du matériau isolant est également un paramètre de fabrication, il doit donc être également strictement contrôlé.

En conclusion, même un léger changement en termes de largeur de trace, d'épaisseur de trace, de constante diélectrique et d'épaisseur de matériau isolant peut entraîner une modification de l'impédance caractéristique. En dehors de ces éléments, il est étroitement lié à d'autres éléments. Par conséquent, il est d'une grande nécessité pour les fabricants d'être pleinement conscients des éléments provoquant des changements d'impédance caractéristique et d'ajuster les paramètres de fabrication afin que l'impédance caractéristique puisse être maintenue dans une plage acceptable.

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