PCB结构加工流程线路阻抗控制线路阻抗计算介绍forupdate课件.ppt

1、PCB结构加工流程线路阻抗控制线结构加工流程线路阻抗控制线路阻抗计算介绍路阻抗计算介绍forupdateSummaryPCB 结构PCB 加工流程PCB 线路阻抗控制PCB 线路阻抗计算方法PCB结构结构(copper clad laminate，简写为CCL)是由木浆纸或玻纤布等作为增强材料，浸以树脂，单面或双面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。覆铜板的结构包括了基板、铜箔、覆铜板粘合剂等。当它用于多层板生产时，也叫芯板（CORE）。一般按基板的增强材料不同，可划分为：纸基、玻璃纤维布基、复合基(CM系列)、积层多层板基和特殊材料基(陶瓷、金属芯基等)五大类。常见的玻璃纤维布基CCL有环氧

2、树脂(FR-4、FR-5)，它是目前最广泛使用的玻璃纤维布基类型。备注：一般常规FR-4板料的厚度：1、0.7mm以下的板料是不含铜厚的；2、0.7mm及以上的又分为含铜和不含铜两种。比如板厚0.7mm含铜，就是铜箔加芯板总厚度为0.7mm。如果板厚0.7mm不含铜，在实际应用中板厚加上铜箔厚度就会超过0.7mm，请注意此点区别。最薄的芯板为0.05mm。PCB结构结构一般按照铜箔不同的制法，可分为电解铜箔(ED)和压延铜箔(RA)两大类。电解铜箔(Electrode Posited copper)是通过专用电解机连续生产出的生箔再经表面处理而成。它是我们常用硬板PCB的铜箔材料。压延铜箔(R

3、olled Copper Foil)是将铜板经过多次重复辊轧而制成的原箔(也叫毛箔)，根据要求进行粗化处理。由于压延铜箔耐折性和弹性系数大于电解铜箔，故适用于柔性覆铜箔板FPC上。PCB结构结构电解铜箔的特点：导电性好一些；分子比较疏松，易断；通过电镀工艺生产。压延铜箔的特点：绕曲性较好；单价比电解铜箔贵；通过涂布工艺生产。常用铜箔厚度类型：1/4OZ；1/3OZ；1/2OZ；1OZ；2OZ；3OZ半固化片是一种片状材料，在一定温度和压力作用下，具有流动性并能迅速地固化和完成粘结过程，并与载体一起构成绝缘层，俗称半固化片或粘结片。因为英文名字叫prepreg,通常也叫PP。在实际压制完成后因内

4、层残铜率及成品铜厚等因素的影响，成品厚度通常会比原始值小10-15um左右。PCB结构结构为了满足阻抗要求，需要调整PCB叠层。在实际生产中，同一个浸润层最多可以使用3张半固化片(超过3张压合时，PP经高温由半固化状态转变成液态后容易从Panel板边流失)，且最大厚度不能超过20mil。超过此数据需要考虑增加芯板来制作，可以把芯板两面的铜箔蚀刻掉或者直接用光板，再在两面用半固化片粘连，这样可以实现较厚的浸润层。最少可以只用一个半固化片，但有的时候因内层铜箔分布稀疏，或者成品铜厚太厚，需要大面积填胶，厂家出于产品的可靠性考虑，要求必须至少使用两张PP。PCB结构结构PCB1、PCB2 使用的假八

5、层叠层：TG：玻璃态转化温度，常规分为：TG130-140度（常规），TG150度（中TG)，TG170-175度(高TG)。介电常数(DK)：它是表示绝缘能力特性的一个系数。FR4通常在3.9-4.6之间，常见应用计算信号时延和特性阻抗：信号时延计算公式：特性阻抗计算公式：损耗角正切值（DF）：也称损耗因子，是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比；通常损耗与Dk&Df关系密切，如下为介质损耗的近似计算公式：热膨胀系数（CTE)：高温时板子形变的性能指标；离子迁移（CAF)：影响板子的可靠性；漏电起痕指数（CTI)：有关耐高压击穿的参数。PCB

6、结构结构TU-862HF Typical Dk/Df Value：TU-86PHF Typical Dk/Df Value：PCB结构结构TU-862 板材Datasheet：生益、联茂、南亚、台耀（TU-862HF）、台光、ISOLA NECLO、松下、日立、ROGERS、ARLON、TACONIC 等。Rogers：RO4003、RO3003、RO4350(PTFE)等 Tuc：862、872SLK、872SLK-SP、TU883、TU933等 Panasonic：Megtron4/Megtron6等 Isola：FR408HR/408等 ShengYi：S1141/S1000-2等PCB

7、结构结构内层蚀刻(DES流程)：显影蚀刻退膜外层蚀刻(SES流程)：显影镀铜镀锡退膜蚀刻退锡为什么PCB内外层蚀刻方法不一样？内层一般线宽线距较大，故有足够的孔环间距；外层一般线路较密，空间不够，所以这个时候就需要想办法在不够的空间内达到做出线路的目的。碱性蚀刻的能力可以达到12mil的孔环，但是酸性蚀刻则需要5mil左右，所以就必须使用锡将需要的线路先保护起来。内层蚀刻用干膜作为抗蚀层，而这种感光材料相对而言耐酸不耐碱的特性，故内层用酸性蚀刻。PCB加工流程加工流程为什么常规阻抗控制只能是10%的偏差？1、覆铜板来料本身的偏差；2、PCB加工过程的蚀刻偏差；3、PCB加工过程中，层压带来的流

8、胶率的偏差；4、高速板材介质损耗，铜箔的表面粗糙度，PP的玻纤效应影响。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制IPC-4101刚性及多层印制板用基材规范，规定覆铜板的尺寸公差要求包括长度、宽度、厚度、垂直度、弓曲和扭曲等几个公差要求。其中厚度及公差解释如下：覆铜板的厚度偏差分为两种，一种厚度公差包括铜箔的厚度，另一种不包括铜箔的芯板厚度。覆铜板（包括铜箔）厚度公差分三个等级（K、L和M），从K级至M级厚度偏差渐严。覆铜板（不包括铜箔）厚度偏差分四个等级（A、B、C、D），从A级至D级厚度偏差渐严。D级为用显微剖切法测得覆铜板上下金属箔之间的绝缘基板的最小距离。覆铜板（包括和不包括铜箔）厚度偏差见下表：

9、PCB线路阻抗控制线路阻抗控制线路蚀刻：利用感光材料，将设计的线路图形通过曝光、显影、蚀刻的工艺步骤，达到所需铜面线路图形。蚀刻的目的：蚀刻的目的是将图形转移以后有图形的受抗蚀剂保护的地方保留，其他未受保护的铜蚀刻掉，最终形成线路，达到导通的目的。蚀刻分类：蚀刻有酸性蚀刻和碱性蚀刻两种，通常内层采用酸性蚀刻，湿膜或干膜为抗蚀剂。外层采用碱性蚀刻，锡铅为抗蚀剂。内层蚀刻(DES流程)：显影蚀刻退膜外层蚀刻(SES流程)：显影镀铜镀锡退膜蚀刻退锡PCB线路阻抗控制线路阻抗控制内层蚀刻：外层蚀刻：蚀刻液在蚀刻过程中，不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用侧蚀是不可避免的。蚀刻因子是指垂直蚀刻深度与横

10、向侧蚀宽度(侧蚀量)两者之间的比值。侧蚀是指导线每侧平行板面的最外缘(含抗蚀层)与导线内缩后的最内缘对比时两缘之空间距离。蚀刻因子一般在24之间。线宽越小，蚀刻的精度公差越难控制。蚀刻因子=蚀刻线厚/(抗蚀层宽度-最窄线宽)/2蚀刻过程的三种状态是：过度蚀刻、正常蚀刻和蚀刻不足。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制PCB压合原理：通过“热与压力”使PP结合不同内层芯板和外层铜箔,并利用外层铜箔作为外层线路之基地。半固化片的特性：1 RC%（Resin content)：指半固化片中除了玻纤布以外，树脂成分所占的重量百分比。RC%的多少直接影响到树脂填充导线间空隙的能力，同时决定压板后的介电层厚度。2

11、 RF%（Resin flow）：指压板后，流出板外的树脂占原来半固化片总重量的百分比。RF%是反映树脂流动性的指标，它也决定压板后的介电层厚度3 VC%（volatile content）：指半固化片经过干燥后，失去的挥发成分的重量占原来半固化片总重量的百分比。VC%的多少直接影响压板后的品质。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制半固化片功能：1 作为内外层线路的结合介质。2 提供适当的绝缘层厚度。半固化片是由玻纤布与树脂组成，同一种玻纤布PP压合后的厚度差别主要是由不同的树脂含量来调整而不是由压合条件来决定。3 阻抗控制。在主要四个影响因素中，Dk值及介电层厚度两项是由半固化片片特性来决定，其D

12、k 值可由下列公式估算：Dk=6.01-3.34RC%RC%:树脂含量%在估算阻抗时所使用的Dk 值，可依据胶片RC%作推算。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制PP填胶后的实际厚度计算如下：PP压合后厚度=单张PP理论厚度 填胶损失填胶损失=(1-A面内层铜箔残铜率)x内层铜箔厚度+(1-B面内层铜箔残铜率)x内层铜箔厚度内层铜箔残铜率=內层走线面积/整板面积外层的填胶损失，只需计算一面，不用计算外层的残铜率。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制高速板材介质损耗，铜箔的表面粗糙度，PP的玻纤效应影响。1 介质损耗介质损耗与Dk&Df有直接关系，Dk/Df 越稳定越好。根据时延公式1可以知道，Dk越小传播

13、时延也越小（传播速度快，需要的时间就小），同时Dk的变化率越小阻抗也越稳定，有利于阻抗的控制（公式2）。而从损耗公式（公式3）我们也可以知道Dk/Df越小（稳定），损耗也越小（稳定），稳定的材料参数可以在工程应用上更好的控制产品的性能。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制公式1，信号时延：公式2，特性阻抗：公式3，介质损耗：高速板材介质损耗，铜箔的表面粗糙度，PP的玻纤效应影响。2 铜箔表面粗糙度左图是几种常规的铜箔对表面粗糙度的定义，其中有STD(标准铜箔)、RTF(反转铜箔)和VLP/HVLP(低/超低表面粗糙度铜箔)，可见不同的铜箔铜牙(粗糙度)相差明显。右图是普通铜箔与低表面粗糙度铜箔的切片

14、放大图。从图中可以直接看出铜箔粗糙度(铜牙)使线路的宽度、线间距不均匀，从而影响阻抗的不可控，最后导致一系列的高速信号完整性问题，而低表面粗糙度的铜箔就不会导致类似问题。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制高速板材介质损耗，铜箔的表面粗糙度，PP的玻纤效应影响。3 PP的玻纤效应目前主流的材料都是采用的“E-glass”，参照的IPC-4412A规范，常见玻纤的微观放大如下图所示：从上图可知不同的玻纤对应的编织粗细不一样，开窗和交织的厚度也不一样。信号分别在开窗上和玻纤上所表现的特性(阻抗、时延、损耗)也不一样（开窗和玻纤Dk/Df特性不一样导致的），这就是玻纤效应。在高速信号的设计上应该尽量避免玻

15、纤效应的影响，常用的方法是采用一定角度走线，或者在制板的时候让板厂旋转一定的角度(板材的利用率会有一定的下降)，或者直接采用开窗比较小的开纤布或者平织布，此外用2层PP也可以适当的避免玻纤效应。PCB线路阻抗控制线路阻抗控制PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法对于信号线而言，在板子上实现的形式又分为微带线和带状线，两者的不同，使得阻抗计算选择的结构不一致。微带线：微带线的特点就是只有一个参考层，上面盖绿油。下面是单端线（50）和差分线（100）的具体参数设置(参考PCB1、PCB2 L1、L6叠层阻抗)。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法1、H1是表层到参考层的介质厚度，不包括参考层的铜

16、厚；2、C1、C2、C3是绿油的厚度，其厚度对于阻抗有细微影响，这也是处理文字面时，尽量不让丝印放置在阻抗线上的原因；3、T1是表层铜厚加电镀的厚度，1.91mil为1/3oz Copper Foil+Plating的结果；4、一般W1是板上走线的宽度，由于加工后的线为梯形，所以W2W1.一般当铜厚为1mil以上时W1-W2=1mil，当铜厚为0.5mil时W1-W2=0.5mil。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法带状线：带状线是位于两个参考平面之间的导线。下面是单端线（50）和差分线（100）的具体参数设置(参考PCB1、PCB2 L4叠层阻抗)。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法

17、1、H1是导线到参考层之间CORE的厚度，H2是导线到参考层之间PP的厚度（考虑pp流胶情况）；如图一所示层叠，若带状线在L4层，那么H1就是Layer 4到Layer 5之间的介质厚度(3.94mil)，而H2则是Layer 4 到Layer 3之间的介质厚度再加上铜厚(39.02+1.2=40.22mil)。2、Er1和Er2之间的介质不同时，可以填各自对应的介电常数。3、T1的厚度一般为内层铜厚。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法a.微带线(microstrip)Z=87/sqrt(Er+1.41)ln5.98H/(0.8W+T)其中，W为线宽，T为走线的铜皮厚度，H为走线到参考平面

18、的距离，Er是PCB板材质的介电常数(dielectric constant)。此公式必须在0.1(W/H)2.0及1(Er)15的情况才能应用。b.带状线(stripline)Z=60/sqrt(Er)ln4H/0.67(T+0.8W)其中，H为两参考平面的距离，并且走线位于两参考平面的中间。此公式必须在W/H0.35及T/H0.25的情况才能应用。1、介质层厚度与阻抗值成正比。2、介电常数与阻抗值成反比。3、铜箔厚度与阻抗值成反比。4、线宽与阻抗值成反比。5、差分线间距与阻抗值成正比。6、防焊油墨厚度与阻抗值成反比。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法1、信号线宁愿宽，不要细。因为制程里

19、存在细的极限，宽是没有极限的。为了调整阻抗把信号线调细而碰到极限时那就麻烦了，要么增加成本，要么放松阻抗管控。所以在计算阻抗时，信号线相对宽就意味着目标阻抗稍微偏低，比如单端阻抗50ohm，算到49ohm就可以了，尽量不要算到51ohm。2、整体呈现一个趋势。硬件设计中可能有多个阻抗管控目标，那么就整体偏大或偏小，不要100ohm的偏大，90ohm的偏小。3、考虑残铜率和流胶量。当半固化片一边或两边是蚀刻线路时，压合过程中胶会去填补蚀刻的空隙处，这样两层间的胶厚度会减小，残铜率越小，填的越多，剩下的越少。所以如果需要的两层间半固化片厚度是5mil，要根据残铜率选择稍厚的半固化片。4、指定玻纤布和含胶量。不同的玻纤布，不同的含胶量的半固化片或芯板的介电系数(DK)是不同的。PCB线路阻抗计算方法线路阻抗计算方法 Thanks