最初對PCB確立±10%的控制精度要求是由電路中800MHz頻率信號的Direc Rambus 型的DRAM模塊（RIMM）應用所提出的，這是為了保證計算機主機和交換機的內部電路實(shí)現更高速的動(dòng)作。不僅搭載RIMM的計算機產(chǎn)品，而且很多的電子產(chǎn)品也需要基板上的電路能很好地與之匹配，一些客戶(hù)相應使用的PCB板件的特性阻抗控制精度不在局限于原來(lái)的±15%或±10%，有的阻抗控制精度要求提高到±8%甚至±5%，這對PCB制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)確實(shí)是很大的挑戰。本文主要針對如何滿(mǎn)足客戶(hù)嚴格的阻抗控制精度要求方面進(jìn)行闡述，希望能對PCB制造業(yè)同行有所幫助。

 

阻抗控制精度分析

 

一般多層板的傳輸線(xiàn)系統要達到60±10%Ω還算容易，但要達到75±5%Ω，甚至50±5%Ω時(shí)就會(huì )有點(diǎn)難度,誤差5%即使對于技術(shù)規格要求較高的應用而言也是不常見(jiàn)的，但還是有一些客戶(hù)對阻抗控制精度提出了±5%的要求，現舉例來(lái)說(shuō)明。

 

以下是我司生產(chǎn)的一種板件，該板的要求：4層板，完成板厚1.0±0.10mm，板材采用FR4，客戶(hù)有指定的疊層結構，見(jiàn)下圖

 

 

其中TOP層有單線(xiàn)阻抗要求，參考層為第2層，其中單線(xiàn)阻抗線(xiàn)寬W1要求12.0MIL,阻抗要求50±5%Ω（50±2.5Ω），其結構如下：

 

 

對于客戶(hù)如此嚴格的阻抗控制精度要求,如何去滿(mǎn)足?下面來(lái)談?wù)勎覀児臼侨绾稳ミM(jìn)行控制的。

 

PCB特性阻抗的模擬計算

 

對于有阻抗控制要求的板，目前，PCB工廠(chǎng)比較常見(jiàn)的做法就是在PCB的生產(chǎn)拼版板邊適當位置設計一些阻抗試樣，這些阻抗試樣具有與PCB相同的分層和阻抗線(xiàn)構造。在設計阻抗試樣前會(huì )預先采用一些阻抗計算軟件對阻抗進(jìn)行模擬計算，以便對阻抗進(jìn)行預測。其中英國POLAR公司開(kāi)發(fā)的CITS測試系統及計算軟件自1991年起已經(jīng)為許多PCB制造商所使用，而且操作簡(jiǎn)單、具有強大的功能計算能力。但不管該系統功能有多強大，其計算能力及計算阻抗的場(chǎng)求解工具都依賴(lài)于使用“理想的”材質(zhì)，模擬計算的結果與實(shí)際測量的阻抗結果之間總會(huì )存在一定的偏差。因此，對于客戶(hù)阻抗控制精度要求±5%的情況下,采用計算精度比較高的軟件進(jìn)行較為準確的模擬預測就顯得尤為重要了。為此，我們采用英國POLAR公司開(kāi)發(fā)的最新計算軟件Polar SI8000K 控制阻抗快速解算器進(jìn)行模擬預測，由于客戶(hù)要求：為了滿(mǎn)足50±5%Ω的阻抗允許PCB廠(chǎng)可對疊層結構做適當調整,而阻抗線(xiàn)寬不可調整,為此,模擬結果如下：

 

 

根據上面的模擬結果可看出,為了滿(mǎn)足客戶(hù)50Ω阻抗要求,需將客戶(hù)原有TOP層到第2層的介質(zhì)層厚度9mil調整為7mil,同時(shí)，為了滿(mǎn)足客戶(hù)完成板厚，需將芯板厚度也做相應調整。結合內層線(xiàn)路的布線(xiàn)密度,調整為如下疊層結構：

 

 

PCB的生產(chǎn)過(guò)程控制

 

采用平行光曝光機進(jìn)行生產(chǎn)

 

因為非平行光是屬于點(diǎn)光源,發(fā)射的光是散射的光,因此,這些光線(xiàn)透過(guò)菲林底片進(jìn)入感光干膜或其他液態(tài)抗蝕刻劑膜等是呈各種各樣角度曝光的,經(jīng)過(guò)曝光顯影出來(lái)的圖形與底片上的圖形會(huì )有一定的偏差，而平行光是以垂直方向照射到感光干膜或其他液態(tài)抗蝕刻劑膜進(jìn)行曝光的，因此，感光層上曝光出來(lái)的導線(xiàn)寬度會(huì )十分接近菲林底片上的導線(xiàn)寬度，這樣，可以得到更為準確的導線(xiàn)寬度，從而減少這種偏差對阻抗帶來(lái)的影響。

 

外層基銅選用薄銅箔

 

由于精細線(xiàn)路的迅速發(fā)展，薄銅箔已得到大量的發(fā)展并被全面使用，銅箔厚度已由早些年的1OZ走向1/2OZ為主，而且早也開(kāi)發(fā)出1/3OZ和 1/4OZ，甚至更薄的如1/7OZ銅箔。因為較薄的銅箔厚度有利于制造和控制導線(xiàn)寬度及導線(xiàn)的完整性，從而有利于保證阻抗控制精度。由于客戶(hù)對外層銅厚要求為1OZ, 因此，對于該四層板壓合時(shí)外層我們選用了1/3OZ 銅箔進(jìn)行壓合，再經(jīng)過(guò)后面的電鍍后即可達到客戶(hù)表面銅厚1OZ的銅厚要求，這樣既滿(mǎn)足了客戶(hù)表面完成銅厚的要求，又有利于蝕刻時(shí)對導線(xiàn)寬度均勻性的控制。

 

采用銅箔通電加熱壓機層壓

 

層壓機的加熱方式有電加熱和蒸汽加熱兩種，而我公司所使用的是意大利CEDAL公司采用ADARA技術(shù)生產(chǎn)的多層真空壓機，該系統利用成卷的銅箔環(huán)繞著(zhù)半固化片及內層板的疊層一層一層疊板，在層壓機內對銅箔通電，達到加熱的效果，溫度分布，整個(gè)疊板的溫度分布可到達177±2°C，由于加熱快，溫度分布均勻，壓合過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)性比較均勻，層壓出來(lái)的板的板厚平整度可達到±0.025mm，層間介質(zhì)層的厚度比較均勻。

 

采用整板電鍍進(jìn)行生產(chǎn)

 

為了獲得比較 均勻厚度及寬度的導線(xiàn)以保證阻抗在規定的公差范圍內，PCB在經(jīng)過(guò)孔化后是直接采用全板電鍍生產(chǎn)的,其中電流密度進(jìn)行適當降低.由于PCB 在經(jīng)過(guò)孔化后直接進(jìn)入全板電鍍，在一定的鍍液條件下，整板的制板面上接受的是均勻的電流密度，因而整個(gè)板面及孔內的銅厚是比較均勻的，這樣有利于控制面銅厚度及導線(xiàn)寬度的均勻度（因為不均勻的銅厚度會(huì )對蝕刻均勻性方面帶來(lái)不利），從而有利于對PCB特性阻抗的控制及減少其的波動(dòng)性。

 

其他方面

 

當然,為了滿(mǎn)足客戶(hù)50±5%Ω（50±2.5Ω）的阻抗控制要求在蝕刻線(xiàn)路,絲印綠油等方面也應加以控制,以確保導線(xiàn)寬度及導線(xiàn)表面綠油層厚度的均勻性。

 

PCB的阻抗測量

 

阻抗測量通常使用時(shí)域反射計 (TDR) 來(lái)完成，TDR（時(shí)域反射計）已成為測量印刷電路板上的特性阻抗的既定技術(shù)。對于測量阻抗要求精度為±5%的特性阻抗來(lái)說(shuō)阻抗測量也是非常重要的，一定要確保測量的正確性，否則會(huì )導致阻抗合格的板件誤測為不合格。

 

測量前采用可跟蹤的阻抗標準進(jìn)行校正

 

因為用于阻抗測量的 TDR 是高精度的 RF 測量工具，在測量過(guò)程中，TDR測量要求在跡線(xiàn)前端與后端DC條件相同的環(huán)境下進(jìn)行的，由于大多數的阻抗COUPON都未端接，因而最好采用經(jīng)過(guò)可跟蹤標準校正的參考空氣管路。使用高精度負載電阻校準TDR可以將阻抗測量誤差減少。

 

測量時(shí)切不可將手放在阻抗COUPON上

 

將手或手指放在阻抗COUPON上時(shí)其表面的阻抗結構發(fā)生了變化，其結果導致測量的阻抗下降,為此,測試人員在進(jìn)行測試過(guò)程中不可將手或手指放在阻抗COUPON上。

 

測試時(shí)采用固定的測試夾具將阻抗COUPON固定測試

 

一般測試阻抗時(shí)常的做法是將阻抗COUPON直接放置在工作臺面上進(jìn)行測試，這都會(huì )影響測量的結果，因為工作臺面具有它本身的絕緣常數，阻抗 COUPON如果與工作臺面直接接觸，得到的阻抗測試結果都會(huì )偏低，當然，對于阻抗控制精度要求不是很?chē)赖那闆r下尚可，而對于測試類(lèi)似測量阻抗要求精度為 ±5%的特性阻抗時(shí)就應該采用固定的測試夾具將阻抗COUPON固定測試。

 

測量時(shí)檢查RF線(xiàn)纜和探針磨損

 

RF 線(xiàn)纜和探針的使用壽命有限，用戶(hù)在使用過(guò)程中會(huì )磨損,一旦RF線(xiàn)纜和探針破損都會(huì )影響阻抗測量結果，因此, 測量時(shí)檢查RF線(xiàn)纜和探針磨損,以保證確保測量的正確性.

 

其他方面

 

當然,為了保證測量的準確性,在測量過(guò)程中要求測試區域附近的移動(dòng)電話(huà)關(guān)閉,在測量中要求TDR阻抗測試探針與阻抗測試COUPON接觸保證良好等。

 

結果與討論

 

以下是采用TDR測試系統測試該板的阻抗測試結果，從結果可看出該板所測試的阻抗都在47.5∽52.5Ω之間,即完全滿(mǎn)足客戶(hù)50±5%Ω（50± 2.5Ω）的阻抗要求. 因此,可看出對于客戶(hù)±8%甚至±5%的阻抗控制精度要求只要在生產(chǎn)前采用計算精度比較高的軟件進(jìn)行較為準確的模擬預測,結合模擬預測的結果對相應的一些參數做適當調整，在生產(chǎn)過(guò)程中對重點(diǎn)工序加以特別的控制，同時(shí)，測量時(shí)確保測量的正確性，還是可以達到的。

 

 

參考文獻

 

(1)英國POLAR 公司 CITS500s 測試儀

(2)英國POLAR 公司 CITS25 阻抗計算軟件

(3)Si8000K 軟件，Polar Instruments。

(4)林金堵，PCB的特性阻抗與電磁干擾（Ⅱ），《印制電路信息》，2000.10

 

 

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