四大因素解析：常规阻抗控制为什么只能是10%？

 

 

随着高速信号传输，对高速PCB设计提出了更高的要求，阻抗控制是高速PCB设计常规设计，PCB加工十几道工序会存在加工误差，当前常规板厂阻抗控制都是在10%的误差。理论上，这个数值是越小越好，为什么是10%？为什么不能进一步的把常规控制能力推到8%，甚至5%呢？

 

从设计上，在《阻抗板是否高可靠，华秋有话说》一文中有提及，由理论公式推导，阻抗与介质厚度、线宽、铜厚、介电常数、阻焊厚度等因素有关，但设计通常是理想值，从PCB加工工艺来讲，任何一道工序都会存在偏差，即所谓的制程公差，理论上讲实际值越接近理论值，最后阻抗公差就会越小，电子产品的电气性能就越优，产品可靠性越高。

 

 

 

综合这些阻抗影响因素，我们可以看到，本质上阻抗偏差与材料及加工过程有关。板材来料本身偏差、线路蚀刻偏差、层压带来的流胶率偏差，以及铜箔表面粗糙度、PP玻纤效应、介质的DF频变效应等都会对阻抗公差有影响。

 

一、覆铜板的来料偏差    

 

据IPC-4101《刚性及多层印制板用基材规范》，覆铜板的厚度偏差分为两种，一种厚度公差包括金属箔的厚度，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。华秋严格选用生益/建滔 A 级 FR4板材，从源头上控制来料偏差，控制板材对阻抗公差的影响。

 

 

二、压合制程的介质偏差    

 

压合是PCB多层板制造中最重要的工序之一，简言之，压合是指将铜箔、半固化片（PP片）和内层芯板，透过“热和压力”结合起来。通过压合工序后的PCB，需要符合一定的板厚、阻抗控制、电气绝缘性、层之间的结合性、尺寸稳定性、板材的平整性等要求。

 

这里我们可以看到，压合对阻抗公差一个重要影响因素就是介质厚度，即半固化片（PP片）的厚度。一般而言，板厂采购来的PP片，有一个初始厚度，这个初始厚度跟树脂含量（RC%）及玻璃布的型号相关，不同品牌PP片，含胶量和玻璃布厚度有一定的差异，从产品的稳定可靠而言，在满足客户需求的情况下，华秋PCB一般会选用固定的品牌厂商PP片，跟工厂压机形成一个相对稳定的参数关系，通过大量的过程数据，以确保PCB的压合质量。

 

而在实际的压合过程中，树脂在高温高压的情况下，会发生流动，多余的树脂（RF%）就会从层间溢出，剩余在层间的树脂厚度则为树脂实际厚度。

 

而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

内层残铜率=內层走线面积/整板面积

 

 

而阻抗控制的重要影响因素中，介电常数（Dk值）及介质厚度都有PP片决定，介电常数Dk值可由下列公式计算：

 

Dk=6.01-3.34R     R:  树脂含量 %

 

综上，原材料PP片厚度存在固有的厚度的偏差，且经过压合的实际厚度也因为压合参数条件存在偏差的叠加，这些都会对最终的阻抗控制产生影响，阻抗公差控制在10%的范围已比较困难。

 

PP片以其玻璃布的型号区分，最常见的型号分别有7628、2116、1080，下表为各种PP片、树脂含量、厚度一览表：

 

 

三、蚀刻制程的线路偏差    

 

PCB线路制程，一般会经过贴膜-曝光-显影-蚀刻-退膜这几道工序，线路蚀刻工序则会影响最终的线宽，从而影响阻抗控制。理论上，如果要精确地界定蚀刻的质量，那么必须保证线宽的一致性和侧蚀程度，即蚀刻因子（侧蚀宽度与蚀刻深度之比称为蚀刻因子）。

 

通常我们的蚀刻精度公差是10mil及以下的线宽按照+/-1mil来控制，10mil以上的线宽公差按+/-10%管控。线宽越小，蚀刻的精度公差越难控制。想要控制好线路精度及线宽一致性，PCB板厂一方面必须配备高品质的线路曝光机和真空蚀刻机，另一方面，还需要根据蚀刻侧蚀量、光绘误差、图形转移误差，对工程底片进行工艺补偿，以达到线宽/线厚的要求。华秋拥有高精度LDI曝光机及宇宙水平线，线宽公差可控制±15%以内（行业普标为±20%），最小线宽线距2.5/3.0 mil，蚀刻均匀品质高，线路精度及一致性更有保障。

 

 

四、阻焊偏差    

 

阻焊，即在PCB表面不需焊接的线路和基材上涂上层防焊阻剂 (油墨) ，并起到阻焊绝缘、防止氧化、美化外观之作用。

 

阻焊油墨影响阻抗的因素主要是阻焊油墨的介电常数及覆盖阻抗线的阻焊油厚度两个因素。对于PCB板厂而言，一般使用油墨型号都是固定的，其介电常数的变化很小。只有在变换阻焊颜色时，介电常数才会有细小的变化。相对于介电常数，阻焊的油墨厚度对阻抗的影响最大。

 

一般情况下，印上阻焊会使外层阻抗减少，因此在控制阻抗误差时会考虑到阻焊的影响。正常情况下，印刷一遍阻焊可使单端下降2Ω，可使差分下降8Ω；印刷两遍下降值为一遍时的2倍；当印刷三次以上时，阻抗值不再变化。

 

 

     

 

影响阻抗误差的因素有很多，其中有的加工因素更是具有随机性，这便是阻抗误差难以做到5%的原因。因此，对一个产品的开发，可能更重要的不是从加工流程上去执着于10%、8%甚至5%的阻抗加工误差，而是把目光转到：从PCB上更优化的设计去获取更多的系统裕量，以抵抗加工误差。

 

华秋电路作为国内高可靠的多层板制造商，专注于多层板打样及中小批量，最高32层，HDI 1-3阶，持续为广大客户提供高可靠PCB。

 

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