蚀刻锥度、聚脂和树脂流对差分阻抗值的影响
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应用说明
148 蚀刻锥度、聚脂和树脂流对差分阻抗值的影响 |
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作者 Alan Staniforth 和 Martyn Gaudion
介绍 据许多印刷线路板制造商反映，衬底材料为FR4时差分阻抗的测量结果比计算结果高出几欧姆。
本文作者 [1]认为软件的理论阻抗公式可以正确的计算出阻抗值尤其是迹线厚度为零的情况。第三章提到的新软件与参考文献1中软件计算的阻抗值偏差在 25x10-2% 范围内。这就说明阻抗的计算结果是正确的。 迹线横截面的正确性 计算迹线横截面时假设横截面是规则的梯形，即迹线各边的蚀刻锥度相同。图1所示为两条相同的嵌入式微波传输带迹线。为了减少计算内存和时间，多数商用软件假设这两条迹线相对中线对称来计算差分阻抗，如图1所示。也就是说两条迹线的蚀刻锥度相同。
图1
表 1 的数据为具有不同蚀刻锥度的嵌入式微波传输带的差分阻抗。
表 1 w1 = 75，d1 = 500，d2 = 100，s = 100， t = 35。单位为m m。 e r1 = e r2 = 4.2 表 1 的数据说明锥度不同会带来几欧姆的阻抗偏差。为了准确计算阻抗值，必须知道蚀刻锥度。 聚脂和树脂流 在生产嵌入式微波传输式和带状线时，首先在核心FR4上蚀刻迹线，然后再将聚脂FR4加压和加热添加到迹线上。聚脂比核心材料的玻璃纤维少，树脂多。生产差分迹线时，树脂会流入迹线之间，如图1和图2所示。
图 2：树脂流照片 聚脂的介电系数小于核心材料的介电系数，因为玻璃纤维和树脂 [2]的比例会影响平均介电系数。玻璃纤维的介电系数是 6.1，树脂的介电系数约为 3.2。由于现有的多数迹线计算软件假设核心材料和聚脂的介电系数相同，即两种材料的平均值4.2。因此造成阻抗的测量和计算值间有偏差，尤其是树脂流入迹线中间时。 人们已开发出计算多层不同材料衬底阻抗的软件。这种软件也可以计算迹线间的一层薄树脂。这种软件的计算方法与参考文献1不同。我们将在下一章讨论差分嵌入式微波传输带和带状线的阻抗计算结果。
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计算结果
表 2 的数据为嵌入式微波传输带的差分阻抗计算结果。
表 2 w1 = 75，w = 65， d1 = 500， d2 = 100。 A栏： s = 100， t = 35 B栏： s = 75， t = 17 单位为m m。 表 3 的数据为带状线的阻抗计算结果。
表 3 w1 = 75， w = 65， s = 100， t = 35。 A栏： d1 = d2 = 100。 B栏： d1 = d2 = 500 单位为m m。 三个表中，基本阻抗的计算假设同源材料的介电系数 e r 为4.2；控制阻抗的计算假设迹线间的e r 与整批材料的介电系数相同。如果我们假设聚脂层的树脂含量比核心材料多，核心材料上 e r 为3.8的聚脂层会使阻抗增加2.5 至 3.0 欧姆。为了控制阻抗，我们现在在迹线间引入第三种介电物质即树脂，因为首先树脂的介电系数与聚脂相同，因而场求解计算结果也接近相同。下一步是测试迹线间纯树脂区域的影响，这时迹线间的 e r 进一步降低至3.2。这部分树脂会使阻抗再增加1.0 至 1.5 欧姆。 通过计算结果的对比，您可以了解将FR4中各层材料的e r 简单的假设为4.2会如何影响阻抗预测值和真实值的偏差，以及如果考虑差分或共面结构间树脂较多区域的影响，还将进一步扩大这一偏差。 除了树脂较多区域的影响外，表 1 的数据还说明蚀刻锥度如何进一步影响预测值和测量值的偏差。由于锥度会影响树脂较多区域的面积，锥度和树脂较多区域都增加了预测值的不确定性。通过观察各种生产样品的显微结构了解材料的几何构造，不失为一种减少偏差的最佳方法。表 1的数据说明0到10 µm范围内的蚀刻锥度变化如何影响阻抗预测值和测量值的5欧姆偏差。 测量设备的公差和因素也会造成偏差，这部分内容不在本篇论文的研究范围内。 结论 以FR4核心和聚脂的介电系数都为4.2的假设得到的差分阻抗计算结果说明，生产过程中差分迹线间的树脂流会使嵌入式微波传输带阻抗增加3.5至4.0欧姆，使带状线的阻抗增加3.0 至3.5 欧姆。 计算结果表明不可以忽视核心材料和聚脂介电系数的不同。实际上玻璃纤维和树脂的比例不同会导致系数变化。 计算结果表明不可以忽视实际的蚀刻锥度。 参考文献
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