阻抗±5%公差影響因素分析與探討

廖 輝

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

隨著PCB應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜和高速，如何保證各種信號(hào)（特別是高速信號(hào)）完整性，也就是保證信號(hào)質(zhì)量，成為難題。此時(shí)，需要借助傳輸線理論進(jìn)行分析，控制信號(hào)線的特征阻抗匹配成為關(guān)鍵，不嚴(yán)格的阻抗控制，將引發(fā)相當(dāng)大的信號(hào)反射和信號(hào)失真，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。常見(jiàn)的信號(hào)，如PCI總線、PCI-E總線、USB、以太網(wǎng)、DDR內(nèi)存、LVDS信號(hào)等，均需要進(jìn)行阻抗控制。阻抗控制最終需要通過(guò)PCB設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)PCB板工藝也提出更高要求，針對(duì)PCB板影響阻抗因素，進(jìn)行分析，主要有以下幾點(diǎn)：內(nèi)/外層線寬、層壓半固化片介厚、電鍍銅厚、油墨厚度、進(jìn)行控制，使最終實(shí)現(xiàn)阻抗值+5% Ω控制；

經(jīng)過(guò)與PCB實(shí)驗(yàn)、研究和實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合CITS27和Si8000軟件的使用，我對(duì)這個(gè)問(wèn)題有了一些粗淺的認(rèn)識(shí)，愿和大家分享。

2 阻抗信號(hào)傳輸線類型

最通用的傳輸線類型：微帶線（microstrip）和帶狀線（stripline）。

（1）微帶線：指在 PCB外層的線和只有一個(gè)參考平面的線，有非嵌入/嵌入兩種；如圖1、圖2。

圖1 非嵌入(我們目前常用)

圖2 嵌入

（2）帶狀線：在絕緣層的中間，有兩個(gè)參考平面。如圖3。

圖3

2 阻抗線

（1）差分阻抗，如上所示，阻抗值一般為：85 Ω、90 Ω、100 Ω、110 Ω、120 Ω不等。

（2）特性阻抗，阻抗值一般為：50 Ω，60 Ω或者50 Ω以下不等。

3 實(shí)際過(guò)程數(shù)據(jù)影響阻抗因素分析

3.1 內(nèi)層成品線寬影響阻抗因素

（1）棕化前后線寬，變化情況：分別采用線寬測(cè)量?jī)x和切片分析棕化前后的線寬變化。

表1切片數(shù)據(jù)分析：從棕化損銅量來(lái)看線寬的損失在2.8 μm ～ 5 μm左右，平均損失3.75 μm，最大值5 μm。

表2線寬測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)分析：從棕化損銅量來(lái)看線寬的損失在3.5 μm ～ 6 μm，平均損失0.18 μm，最大值5.5 μm，該結(jié)論與切片分析結(jié)論相近，因此棕化對(duì)線寬的損失約5 μm。

關(guān)鍵控制因素：從以上數(shù)據(jù)得出：對(duì)于較大的線寬5 μm可以忽略不計(jì)，但是對(duì)于100 μm以下的線寬而言，5 μm意味著5%的線寬公差，不能忽略不計(jì)，因此在蝕刻后線寬控制必須在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上加大5 μm控制，與蝕刻后的線寬減小相抵消；

（2）線寬按照中值加5 μm控制，例如設(shè)計(jì)3 mil線寬蝕刻線寬中值按80 μm控制；

數(shù)據(jù)小結(jié)：內(nèi)層線寬控制公差最佳得能力為±0.3 mil，無(wú)法滿足細(xì)線條，線=線寬公差，控制±5%的要求，因此內(nèi)層線寬對(duì)0.15 mm以下的線條需控制5%公差范圍時(shí)成本較高，風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 層壓介質(zhì)層厚度控制

板件設(shè)計(jì)時(shí)分兩個(gè)區(qū)域，如下圖，采用不同含膠量和型號(hào)的半固化片加工時(shí)測(cè)量正常區(qū)域和大片無(wú)銅區(qū)域的介厚差異。

數(shù)據(jù)小結(jié)：相同的半固化片片使用不同含膠量時(shí)介厚差異非常大，直接影響阻抗控制；在大片無(wú)銅區(qū)域的介厚相對(duì)正常區(qū)域也偏薄，差異在3 μm ～5 μm，差異率接近5%的控制范圍（差異值/平均介厚），因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免阻抗線在大片無(wú)銅區(qū)走線，如果有無(wú)銅區(qū)的走線，介厚控制將可能直接偏出5%的控制范圍。

3.3 成品測(cè)量的內(nèi)層阻抗數(shù)據(jù)

小結(jié)：表5數(shù)據(jù)是以8%左右公差計(jì)算，50歐姆阻抗的CPK較低，因此內(nèi)層的控制范圍縮小到8%時(shí)，有較優(yōu)的控制、能力；（CPK按8%控制是根據(jù)計(jì)算結(jié)果按8%控制時(shí)的CPK水平為可接收水平，按5%公差控制時(shí)CPK值過(guò)低無(wú)法滿足大批量加工，但可以進(jìn)行全檢挑合格阻抗加工）。

3.4 外層阻抗線寬控制

多種不同寬度的線條數(shù)據(jù)，計(jì)算CPK能力，確認(rèn)是否有控制5%公差范圍的能力。

數(shù)據(jù)小結(jié)：

（1）外層線寬的控制能力與線條寬度相關(guān)，從以上數(shù)據(jù)看對(duì)254 μm以上的線條控制5%公差的能力較好，

（2）對(duì)于200 μm ～ 250 μm范圍內(nèi)的線條控制范圍±12.5 μm較好，100 μm以下的線條，在過(guò)程控制中，較高阻抗值公差、要求時(shí)，成本和風(fēng)險(xiǎn)較大；因此阻抗設(shè)計(jì)有線寬小于200 μm以下線條時(shí)，阻抗控制5%的能力較差，可能偏出5%的公差范圍。

表1 切片確認(rèn)數(shù)據(jù)

表2 線寬測(cè)量?jī)x確認(rèn)數(shù)據(jù)

表3

表4

表5

3.5 表面涂覆層對(duì)阻抗值影響

通過(guò)印1次油墨和印兩次油墨對(duì)阻抗值的影響進(jìn)行對(duì)比，得出油墨厚度對(duì)阻抗值的影響，

油墨厚度對(duì)阻抗的影響小結(jié)：油墨厚度對(duì)外層阻抗的影響較小，約在1.2%左右，因此在蝕刻后半成品阻抗控制范圍，應(yīng)在5%的范圍內(nèi)減小1.2%，實(shí)際為3.8%，建議在蝕刻后半成品，對(duì)阻抗控制公差縮小在4%或者3.5%以下，保證在成品測(cè)試時(shí)合格；

3.6 外層成品阻抗相關(guān)數(shù)據(jù)

3.6.1 數(shù)據(jù)分析小結(jié)

紅色編號(hào)和斜體加粗部分阻抗值偏差超出5%控制范圍，其它合格；但在8%的公差范圍內(nèi)，按照±8%公差范圍控制（46 Ω ～ 54 Ω）CPK值為1.24； 同時(shí)觀察Max欄的最大值與min欄的最小值，極差大于4 Ω，部分阻抗公差，無(wú)法控制在±2.5 Ω以內(nèi)。

3.6.2 研究結(jié)論

控制阻抗公差±5%時(shí)總結(jié)：

（1）控制能力：根據(jù)總體數(shù)據(jù)看來(lái)，阻抗控制能力為控制40 Ω以上的阻抗值，可以控制在8%的公差范圍內(nèi)；

100 Ω阻抗值可以控制±5公差；

（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化：

①因?yàn)榻楹裨诓煌瑲堛~區(qū)域的變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開(kāi)在大片無(wú)銅區(qū)走阻抗線；

②線寬越小，公差控制能力越差，因此內(nèi)外層線寬設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量調(diào)大線寬，保證線寬控制能力；

3.6.3 內(nèi)部關(guān)鍵控制點(diǎn)

（1）內(nèi)層阻抗線條加工時(shí)，線寬控制需比成品線寬加大5.1 μm控制，抵消后工序加工對(duì)線條寬度的損耗；

印制電路信息 2013 No.4與可靠性 Inspection and Reliability表6 外層不同線寬數(shù)據(jù)表7 印1次和印2次油墨對(duì)50Ω特性阻抗的影響表8 印1次和印2次油墨對(duì)100Ω差分阻抗的影響

表9 按照±5% 公差控制結(jié)果

（2）層壓工序首件出現(xiàn)異常時(shí)，需要調(diào)整半固化片含膠量參數(shù)，必須反饋到設(shè)計(jì)組同時(shí)調(diào)整阻抗線寬設(shè)計(jì)值，以滿足阻抗要求；

（3）外層蝕刻加工時(shí)首件時(shí)，必須測(cè)量線寬合格阻抗值，根據(jù)阻抗值在線寬公差的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；以調(diào)和已完成的介厚對(duì)阻抗的影響；

（4）半成品阻抗控制，應(yīng)縮小控制范圍，即成品控制5%公差時(shí)，蝕刻后控制應(yīng)該在4%以內(nèi)或者更小；

（5）阻焊需控制油墨返工厚度，避免油墨厚度影響到阻抗值。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)加工電路設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜和高速，保證各種信號(hào)（特別是高速信號(hào)）完整性，需從設(shè)計(jì)和過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化控制，提前識(shí)別進(jìn)行控制，最終完成±5% 阻抗控制。