【技術(shù)分享】PCB阻抗控制精度分析

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(yīng)用所提出的，這是為了保證計算機(jī)主機(jī)和交換機(jī)的內(nèi)部電路實現(xiàn)更高速的動作。不僅搭載RIMM的計算機(jī)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，一些客戶相應(yīng)使用的PCB板件的特性阻抗控制精度不在局限于原來的±15%或±10%，有的阻抗控制精度要求提高到±8%甚至±5%，這對PCB制造廠來說確實是很大的挑戰(zhàn)。

本文主要針對如何滿足客戶嚴(yán)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。

一般多層板的傳輸線系統(tǒng)要達(dá)到60±10%Ω還算容易，但要達(dá)到75±5%Ω，甚至50±5%Ω時就會有點難度，誤差5%即使對于技術(shù)規(guī)格要求較高的應(yīng)用而言也是不常見的，但還是有一些客戶對阻抗控制精度提出了±5%的要求，現(xiàn)舉例來說明。

以下圖為例，該板的要求：4層板，完成板厚1.0±0.10mm，板材采用FR4，客戶有指定的疊層結(jié)構(gòu)，見下圖：

其中TOP層有單線阻抗要求，參考層為第2層，其中單線阻抗線寬W1要求12.0MIL，阻抗要求50±5%Ω（50±2.5Ω），其結(jié)構(gòu)如下：

對于客戶如此嚴(yán)格的阻抗控制精度要求，如何去滿足？下面來談?wù)勎覀兪侨绾稳ミM(jìn)行控制的。

對于有阻抗控制要求的板，目前，PCB工廠比較常見的做法就是在PCB的生產(chǎn)拼版板邊適當(dāng)位置設(shè)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構(gòu)造。在設(shè)計阻抗試樣前會預(yù)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(yù)測。其中英國POLAR公司開發(fā)的CITS測試系統(tǒng)及計算軟件自1991年起已經(jīng)為許多PCB制造商所使用，而且操作簡單、具有強(qiáng)大的功能計算能力。

但不管該系統(tǒng)功能有多強(qiáng)大，其計算能力及計算阻抗的場求解工具都依賴于使用“理想的”材質(zhì)，模擬計算的結(jié)果與實際測量的阻抗結(jié)果之間總會存在一定的偏差。因此，對于客戶阻抗控制精度要求±5%的情況下，采用計算精度比較高的軟件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬預(yù)測就顯得尤為重要了。為此，我們采用英國POLAR公司開發(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(yù)測，由于客戶要求：為了滿足50±5%Ω的阻抗允許PCB廠可對疊層結(jié)構(gòu)做適當(dāng)調(diào)整，而阻抗線寬不可調(diào)整，為此，模擬結(jié)果如下：

根據(jù)上面的模擬結(jié)果可看出，為了滿足客戶50Ω阻抗要求，需將客戶原有TOP層到第2層的介質(zhì)層厚度9mil調(diào)整為7mil，同時，為了滿足客戶完成板厚，需將芯板厚度也做相應(yīng)調(diào)整。結(jié)合內(nèi)層線路的布線密度，調(diào)整為如下疊層結(jié)構(gòu)：

因為非平行光是屬于點光源，發(fā)射的光是散射的光，因此，這些光線透過菲林底片進(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)過曝光顯影出來的圖形與底片上的圖形會有一定的偏差，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，感光層上曝光出來的導(dǎo)線寬度會十分接近菲林底片上的導(dǎo)線寬度，這樣，可以得到更為準(zhǔn)確的導(dǎo)線寬度，從而減少這種偏差對阻抗帶來的影響。

由于精細(xì)線路的迅速發(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(dǎo)線寬度及導(dǎo)線的完整性，從而有利于保證阻抗控制精度。由于客戶對外層銅厚要求為1OZ，因此，對于該四層板壓合時外層我們選用了1/3OZ銅箔進(jìn)行壓合，再經(jīng)過后面的電鍍后即可達(dá)到客戶表面銅厚1OZ的銅厚要求，這樣既滿足了客戶表面完成銅厚的要求，又有利于蝕刻時對導(dǎo)線寬度均勻性的控制。

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

為了獲得比較均勻厚度及寬度的導(dǎo)線以保證阻抗在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，PCB在經(jīng)過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(dāng)降低。由于PCB在經(jīng)過孔化后直接進(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，因而整個板面及孔內(nèi)的銅厚是比較均勻的，這樣有利于控制面銅厚度及導(dǎo)線寬度的均勻度（因為不均勻的銅厚度會對蝕刻均勻性方面帶來不利），從而有利于對PCB特性阻抗的控制及減少其的波動性。

當(dāng)然，為了滿足客戶50±5%Ω（50±2.5Ω）的阻抗控制要求在蝕刻線路、絲印綠油等方面也應(yīng)加以控制，以確保導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線表面綠油層厚度的均勻性。

阻抗測量通常使用時域反射計(TDR)來完成，TDR（時域反射計）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%的特性阻抗來說阻抗測量也是非常重要的，一定要確保測量的正確性，否則會導(dǎo)致阻抗合格的板件誤測為不合格。

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

將手或手指放在阻抗COUPON上時其表面的阻抗結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其結(jié)果導(dǎo)致測量的阻抗下降。為此，測試人員在進(jìn)行測試過程中不可將手或手指放在阻抗COUPON上。

一般測試阻抗時常的做法是將阻抗COUPON直接放置在工作臺面上進(jìn)行測試，這都會影響測量的結(jié)果，因為工作臺面具有它本身的絕緣常數(shù)，阻抗COUPON如果與工作臺面直接接觸，得到的阻抗測試結(jié)果都會偏低。當(dāng)然，對于阻抗控制精度要求不是很嚴(yán)的情況下尚可，而對于測試類似測量阻抗要求精度為±5%的特性阻抗時就應(yīng)該采用固定的測試夾具將阻抗COUPON固定測試。

RF線纜和探針的使用壽命有限，用戶在使用過程中會磨損，一旦RF線纜和探針破損都會影響阻抗測量結(jié)果，因此，測量時檢查RF線纜和探針磨損，以保證確保測量的正確性。

當(dāng)然，為了保證測量的準(zhǔn)確性，在測量過程中要求測試區(qū)域附近的移動電話關(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。

以下是采用TDR測試系統(tǒng)測試該板的阻抗測試結(jié)果，從結(jié)果可看出該板所測試的阻抗都在47.5∽52.5Ω之間，即完全滿足客戶50±5%Ω（50±2.5Ω）的阻抗要求。因此，可看出對于客戶±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(zhǔn)確的模擬預(yù)測，結(jié)合模擬預(yù)測的結(jié)果對相應(yīng)的一些參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，在生產(chǎn)過程中對重點工序加以特別的控制。同時，測量時確保測量的正確性，還是可以達(dá)到的。

參考文獻(xiàn)