四大因素解析：常規(guī)阻抗控制為什么只能是10%？

華秋

隨著高速信號(hào)傳輸，對(duì)高速pcb設(shè)計(jì)提出了更高的要求，阻抗控制是高速PCB設(shè)計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)，PCB加工十幾道工序會(huì)存在加工誤差，當(dāng)前常規(guī)板廠阻抗控制都是在10%的誤差。理論上，這個(gè)數(shù)值是越小越好，為什么是10%？為什么不能進(jìn)一步的把常規(guī)控制能力推到8%，甚至5%呢？

從設(shè)計(jì)上，在《[color=rgb(12, 147, 228) !important]阻抗板是否高可靠，華秋有話說》一文中有提及，由理論公式推導(dǎo)，阻抗與介質(zhì)厚度、線寬、銅厚、介電常數(shù)、阻焊厚度等因素有關(guān)，但設(shè)計(jì)通常是理想值，從PCB加工工藝來講，任何一道工序都會(huì)存在偏差，即所謂的制程公差，理論上講實(shí)際值越接近理論值，最后阻抗公差就會(huì)越小，電子產(chǎn)品的電氣性能就越優(yōu)，產(chǎn)品可靠性越高。

綜合這些阻抗影響因素，我們可以看到，本質(zhì)上阻抗偏差與材料及加工過程有關(guān)。板材來料本身偏差、線路蝕刻偏差、層壓帶來的流膠率偏差，以及銅箔表面粗糙度、PP玻纖效應(yīng)、介質(zhì)的DF頻變效應(yīng)等都會(huì)對(duì)阻抗公差有影響。

一、覆銅板的來料偏差

據(jù)IPC-4101《剛性及多層印制板用基材規(guī)范》，覆銅板的厚度偏差分為兩種，一種厚度公差包括金屬箔的厚度，另一種不包括銅箔的芯板厚度。覆銅板（包括銅箔）厚度公差分三個(gè)等級(jí)（K、L和M），從K級(jí)至M級(jí)厚度偏差漸嚴(yán)。覆銅板（不包括銅箔）厚度偏差分四個(gè)等級(jí)（A、B、C、D），從A級(jí)至D級(jí)厚度偏差漸嚴(yán)。華秋嚴(yán)格選用生益/建滔 A 級(jí) FR4板材，從源頭上控制來料偏差，控制板材對(duì)阻抗公差的影響。

二、壓合制程的介質(zhì)偏差

壓合是PCB多層板制造中最重要的工序之一，簡言之，壓合是指將銅箔、半固化片（PP片）和內(nèi)層芯板，透過“熱和壓力”結(jié)合起來。通過壓合工序后的PCB，需要符合一定的板厚、阻抗控制、電氣絕緣性、層之間的結(jié)合性、尺寸穩(wěn)定性、板材的平整性等要求。

這里我們可以看到，壓合對(duì)阻抗公差一個(gè)重要影響因素就是介質(zhì)厚度，即半固化片（PP片）的厚度。一般而言，板廠采購來的PP片，有一個(gè)初始厚度，這個(gè)初始厚度跟樹脂含量（RC%）及玻璃布的型號(hào)相關(guān)，不同品牌PP片，含膠量和玻璃布厚度有一定的差異，從產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠而言，在滿足客戶需求的情況下，華秋PCB一般會(huì)選用固定的品牌廠商PP片，跟工廠壓機(jī)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)關(guān)系，通過大量的過程數(shù)據(jù)，以確保PCB的壓合質(zhì)量。

而在實(shí)際的壓合過程中，樹脂在高溫高壓的情況下，會(huì)發(fā)生流動(dòng)，多余的樹脂（RF%）就會(huì)從層間溢出，剩余在層間的樹脂厚度則為樹脂實(shí)際厚度。

而PP填膠后的實(shí)際厚度計(jì)算如下：

PP壓合后厚度= 單張PP理論厚度 – 填膠損失

填膠損失 = (1-A面內(nèi)層銅箔殘銅率)x內(nèi)層銅箔厚度 + (1-B面內(nèi)層銅箔殘銅率)x內(nèi)層銅箔厚度

內(nèi)層殘銅率=內(nèi)層走線面積/整板面積

而阻抗控制的重要影響因素中，介電常數(shù)（Dk值）及介質(zhì)厚度都有PP片決定，介電常數(shù)Dk值可由下列公式計(jì)算：

Dk=6.01-3.34R R: 樹脂含量 %

綜上，原材料PP片厚度存在固有的厚度的偏差，且經(jīng)過壓合的實(shí)際厚度也因?yàn)閴汉蠀��?shù)條件存在偏差的疊加，這些都會(huì)對(duì)最終的阻抗控制產(chǎn)生影響，阻抗公差控制在10%的范圍已比較困難。

PP片以其玻璃布的型號(hào)區(qū)分，最常見的型號(hào)分別有7628、2116、1080，下表為各種PP片、樹脂含量、厚度一覽表：

三、蝕刻制程的線路偏差

PCB線路制程，一般會(huì)經(jīng)過貼膜-曝光-顯影-蝕刻-退膜這幾道工序，線路蝕刻工序則會(huì)影響最終的線寬，從而影響阻抗控制。理論上，如果要精確地界定蝕刻的質(zhì)量，那么必須保證線寬的一致性和側(cè)蝕程度，即蝕刻因子（側(cè)蝕寬度與蝕刻深度之比稱為蝕刻因子）。

通常我們的蝕刻精度公差是10mil及以下的線寬按照+/-1mil來控制，10mil以上的線寬公差按+/-10%管控。線寬越小，蝕刻的精度公差越難控制。想要控制好線路精度及線寬一致性，PCB板廠一方面必須配備高品質(zhì)的線路曝光機(jī)和真空蝕刻機(jī)，另一方面，還需要根據(jù)蝕刻側(cè)蝕量、光繪誤差、圖形轉(zhuǎn)移誤差，對(duì)工程底片進(jìn)行工藝補(bǔ)償，以達(dá)到線寬/線厚的要求。華秋擁有高精度LDI曝光機(jī)及宇宙水平線，線寬公差可控制±15%以內(nèi)（行業(yè)普標(biāo)為±20%），最小線寬線距2.5/3.0 mil，蝕刻均勻品質(zhì)高，線路精度及一致性更有保障。

四、阻焊偏差

阻焊，即在PCB表面不需焊接的線路和基材上涂上層防焊阻劑 (油墨) ，并起到阻焊絕緣、防止氧化、美化外觀之作用。

阻焊油墨影響阻抗的因素主要是阻焊油墨的介電常數(shù)及覆蓋阻抗線的阻焊油厚度兩個(gè)因素。對(duì)于PCB板廠而言，一般使用油墨型號(hào)都是固定的，其介電常數(shù)的變化很小。只有在變換阻焊顏色時(shí)，介電常數(shù)才會(huì)有細(xì)小的變化。相對(duì)于介電常數(shù)，阻焊的油墨厚度對(duì)阻抗的影響最大。

一般情況下，印上阻焊會(huì)使外層阻抗減少，因此在控制阻抗誤差時(shí)會(huì)考慮到阻焊的影響。正常情況下，印刷一遍阻焊可使單端下降2Ω，可使差分下降8Ω；印刷兩遍下降值為一遍時(shí)的2倍；當(dāng)印刷三次以上時(shí)，阻抗值不再變化。