2022年阻抗规格对电路板设计-- .pdf
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1、1 阻抗規格對電路板設計、製造之影響華通電腦公司研發處林文彥摘要:阻抗在一般印刷電路板從業人員觀念裡,是一個既熟悉又陌生的名詞,熟悉的原因是阻抗在產品規格中出現的頻率越來越高,且幾乎是高階電路板的必要規格;而陌生的原因是 阻抗是一個綜合的指標,是印刷電路板整體製程及管理能力的表現,如非經一番剖析,想要針對其良率改善亦不知如何著手。本文將從為何要作阻抗控制的原因出發,探討作阻抗板設計及製造時所將面臨的問題及解決方法,最後則以推測阻抗規格將對印刷電路板名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
2、- - 第 1 页,共 49 页 - - - - - - - - - 2 產業的影響作為本文結尾。一、前言:電子產業一般可粗分為三類:系統產品(system product)、電子元件 (electronic device)、互連線(interconnect) 。而其背後各有不同的驅動力量使該產業不斷的前進,對系統產品而言,其驅動力量來自於使用者對於產品輕薄短小、省電耐用、便宜又有個性的期待 ,一言以蔽之即Nokia 所謂之科技始終來自於人性;其次對於電子元件而言,在本益比 (performance to cost ratio)以十倍數提高的驅動力下,製程尺寸以平均每三年縮小為 70% 的速度
3、發展(Intel 前總裁Andy Grove 在其所著十倍數時代一書中提名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 49 页 - - - - - - - - - 3 及半導體產業的本益比平均每三年向上提升十倍),但伴隨著製程尺寸縮小而來卻有工作頻率提高、工作電壓降低、電晶體耗電量降低、電壓容許雜訊降低等效應,導至在低頻時所不需要考慮的問題一一浮現,使得在設計上的複雜度提升 (如附表 1-1) ;對屬於互連線 (interconnect)產業的印刷電路板而言,因其扮演在
4、子系統子系統或元件 元件間傳遞訊號的特性,為了滿足自系統產品及電子元件兩端而來的要求,使其有兩個主要的發展方向:1.高密度的印刷電路板 :其主要技術為細線 、小孔、盲孔、埋孔。2.高頻電子元件封裝基板 ,或高速電子產品之電名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 49 页 - - - - - - - - - 4 路板:其主要技術為低介電係數、低耗損材料、薄介電層厚度、精密的阻抗控制等。表 1-1 數位訊號頻率及其相關設計考量的關係訊號頻率線路電磁輻射的臨界線長要求阻
5、抗控制的臨界線長不考慮雜訊控制的臨界線長訊號週期時間工作電壓25 MHZ 24” 12 ” 18” 9” 12” 6” 9” 4.5” 8” 4” 7” 3.5” 6” 3” 5” 2.5” 4” 2” Package 1- Board - Package 2- IC2 ) ,其中當元件、封裝、電路板的阻抗不一樣時,不連續的介面即因運而生,所以阻抗控制其實就是讓系統中每一個部份都具有相同的阻抗值,而其目的則在消除介面的反射雜訊。法線入射波透射波反射波Z0Z1不反射如果VS圖 1-3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
6、 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 49 页 - - - - - - - - - 10 如果阻抗並不匹配時,則介面將產生反射雜訊的大小ViZZZZVr0101,其中 Vr 為反射雜訊電壓, Vi 為入射雜訊電壓。而一般對電路板阻抗規格的訂定是以系統阻抗Z0 ( )%Z0 表示,現以兩個實例10%和5% 比較其對反射雜訊所產生的影響,1.規格為10%:ViViZZZZVr%7.4001 .1001.1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共
7、49 页 - - - - - - - - - 11 2.規格為5%:ViViZZZZVr%4.20005.10005.1所以當阻抗允許規格趨於嚴格時,因阻抗不匹配所造成的系統雜訊也會因此降低,而這也是為何在高速系統中印刷電路板阻抗規格日趨嚴格的主要原因,此外一片電路板上通常有許多的元件,所以改善了電路板的阻抗控制,也等於改善了電路板與每一個元件間介面阻抗匹配的問題,這遠比改善每一元件或其包裝的阻抗匹配要容易得多,因此我們可推論阻抗控制在電路板設計及製造上的重要性將與日繼增。對於印刷電路板阻抗控制而言,其核心問題主要有二:參考附圖1-4 1.如何作好阻抗設計工作 :即是讓所有阻抗分佈名师资料总结
8、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页,共 49 页 - - - - - - - - - 12 的平均值接近規格的中值 ,以統計品管的語言來說即設法讓Ca = 0(如附圖 1-4 之右圖 ),此工作目標最終一定可以達成 ,至少可以靠不斷試產並根據試產的阻抗平均值結果更改設計而達成。2. 如何作好阻抗製造工作:即讓阻抗分佈如右圖般有較窄的分佈,而非如左圖般較寬的分佈,以統計品管的語言來說即設法讓sigma 縮規格規格規格好的阻抗設不良的阻抗阻抗不合圖 1-4 名师资料总结 - -
9、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 49 页 - - - - - - - - - 13 小,此項工作不光是直接影響到電路板阻抗的良率,也會間接的影響到系統的穩定性,因為如左圖的分佈,電路板阻抗在規格邊緣的比例遠大於右圖,也就是說電路板有更大的機會產生更多的雜訊。二、電路板阻抗設計:在印刷電路板中常見的線路結構主要有以下三種:Microstripline, Stripline, Dual-stripline,而 Microstripline: Impedance Striplin
10、e: Impedance Dual_stripline: Impedance 8.098.541.187TWHLnErZ8.09.160TWDLnErZ8.0)2(9.1)(4180TWTALnTBAAErZ名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页,共 49 页 - - - - - - - - - 14 其阻抗值可以分別由下列所對應之半經驗公式求得近似值,如圖2-1。由以上可知,阻抗設計簡單來說就是找一組參數(介電係數Er, 線寬W, 介電層TraceDielectr
11、icGround PlaneWTHTraceTraceGround PlaneGround Plane D ielectricWAABTDTraceGround PlanePower PlaneWT圖 2-1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页,共 49 页 - - - - - - - - - 15 厚度 H, 銅厚 T)的組合,使這組參數代入公式中可以命中規格中值。但上述的半經驗公式因在其推導過程有些假設,使其應用範圍受到局限,同時也造成了預測值與實際值的的誤
12、差,如 Microstipline 公式的應用範圍為2Er15,0.1W/H3.0,且表面不蓋綠漆,在覆蓋綠漆後,阻抗值將降低,其如圖 2-2 所示; Stripline 的公式假設為線路上下的絕緣層厚度相等,且應用範圍為W/H 0.7,T/H 介電係數 線寬 銅厚,而前面兩項又取決於材料供應商,所以要做精確阻抗控制的首要工作,即為找一家製程穩定的材料供應商並作好進料檢驗工作,而不是一頭栽到製程中去改善壓板介電層厚度或線寬、銅厚變異等事倍功半的工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
13、 - - 第 31 页,共 49 页 - - - - - - - - - 32 接下來將進一步分析,在不同的阻抗規格下,製程中的介電層厚度、線寬及銅厚變化率對阻抗不合格率之影響。Microstripline :由 (式 3-6) )8 .08.0(41.18741.12TWTWHHErErErZZ可以推得8.098.5ln/)8.08.08 .0(41.121(%)TWHTWTTWWHHErErZZ下表是不同阻抗值(50 ,60 ,75 ) 在不同的允收規格(10% , 7.5% , 5%) 下,材料介電係數變化在 5% 或 10% 時,印刷電路板製程中介電層厚度、線寬及銅厚可允許的最大變化區
14、間。外層線路阻抗規格及所允許之製程變異名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 32 页,共 49 页 - - - - - - - - - 33 dH/H - 0.71*dW/W - 0.29*dT/T if W=3T dH/H - 0.76*dW/W - 0.24*dT/T if W=4T dH/H - 0.8*dW/W - 0.2*dT/T if W=5T Impedence Tolerance Er dEr dEr/Er dH/H - 0.8*dW/(0.8W+T) +
15、dT/(0.8W+T) 50 10% 4.0 0.20 5.0% 10.90% 50 10% 4.0 0.40 10.0% 8.43% 60 10% 4.0 0.20 5.0% 13.08% 60 10% 4.0 0.40 10.0% 10.11% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 33 页,共 49 页 - - - - - - - - - 34 75 10% 4.0 0.20 5.0% 16.34% 75 10% 4.0 0.40 10.0% 12.64% 50 7.
16、5% 4.0 0.20 5.0% 7.55% 50 7.5% 4.0 0.40 10.0% 5.08% 60 7.5% 4.0 0.20 5.0% 9.07% 60 7.5% 4.0 0.40 10.0% 6.10% 75 7.5% 4.0 0.20 5.0% 11.33% 75 7.5% 4.0 0.40 10.0% 7.63% 50 5.0% 4.0 0.20 5.0% 4.21% 50 5.0% 4.0 0.40 10.0% 1.74% 60 5% 4.0 0.20 5.0% 5.06% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
17、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 34 页,共 49 页 - - - - - - - - - 35 60 5% 4.0 0.40 10.0% 2.09% 75 5% 4.0 0.20 5.0% 6.32% 75 5% 4.0 0.40 10.0% 2.61% 接下來我們將利用常態分佈將KTWTTWWHH8.08.08.0,K 為上表所示變化區間(式 3-17) ,適切的轉換為介電層厚度變化HH,線寬變化WW及銅厚變化TT與不良率之關係。為了簡化問題,我們假設線寬為銅厚的5 倍,即 W = 5T,則 (式 3-17)可改寫為KTTWWHH2.08.0(式 3-18) 名
18、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 35 页,共 49 页 - - - - - - - - - 36 假設製程是常態分佈,則製程變異將可以圖3-2 表示,99.7% 將落入3的區域內。結合(式3-18) 即32.08 .0KTTWWHH時約將產生 0.3% 的阻抗不良率。利用2222TWHtotal的關係,我們再假設8.0()(WWHHWH,則我們可以確信圖 3-2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
19、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 36 页,共 49 页 - - - - - - - - - 37 32.08 .0KTTWWHH,如此一來我們即可以順利推論當介電層厚度變化KKHH58.031線寬變化KKWW72.0318.01銅厚變化KKTT89.2312.01時,阻抗不良率將小於0.3%。 此處為一個標準差,H 、w、T為全距的一半。接下來我們再以另一圖 3-3 dZ/ Z0.2dT/ T0.8dW /WdH /H名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
20、 37 页,共 49 页 - - - - - - - - - 38 狀況分析,如果製程變異3)2.0()8.0()(KTTWWHHTWH時,則因22222)3(3TWHtotal的關係,即33total,如此將產生多少的不良率呢?如圖3-3 所述超過3虛線外之分佈。由圖 3-2 可知,約3% 的分佈介於-3到 -2 之間,其平均值為名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 38 页,共 49 页 - - - - - - - - - 39 -2.513% 的分佈介於-2到 -1
21、之間,其平均值為-1.534% 的分佈介於-1到 0 之間,其平均值為-0.534% 的分佈介於0 到 1之間,其平均值為0.513% 的分佈介於1到 2 之間,其平均值為1.53% 的分佈介於2到 3 之間,其平均值為2.5由 (式 3-18) 阻抗允收規格為3)2 .08 .0(KTTWWHH現在製程變異假設3)2.0()8.0()(KTTWWHHTWH由下表 3-1 列出所有製程變異的可能性,其中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 39 页,共 49 页 - - -
22、 - - - - - - 40 3)2.0()8.0()(TTWWHHTWH製程變異的組合即為超出阻抗規格的不良品,然後我們在表3-2 套用前述假設計算產生不良品的機率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 40 页,共 49 页 - - - - - - - - - 41 阻抗相關製程變異分佈配置表Sum Sum Sum Sum Sum Sum -2.5 -2.5 -2.5 -7.5 -1.5 -2.5 -2.5 -6.5 -0.5 -2.5 -2.5 -5.5 0.5 -
23、2.5 -2.5 -4.5 1.5 -2.5 -2.5 -3.5 2.5 -2.5 -2.5 -2.5 -2.5 -2.5 -1.5 -6.5 -1.5 -2.5 -1.5 -5.5 -0.5 -2.5 -1.5 -4.5 0.5 -2.5 -1.5 -3.5 1.5 -2.5 -1.5 -2.5 2.5 -2.5 -1.5 -1.5 -2.5 -2.5 -0.5 -5.5 -1.5 -2.5 -0.5 -4.5 -0.5 -2.5 -0.5 -3.5 0.5 -2.5 -0.5 -2.5 1.5 -2.5 -0.5 -1.5 2.5 -2.5 -0.5 -0.5 -2.5 -2.5 0.5
24、-4.5 -1.5 -2.5 0.5 -3.5 -0.5 -2.5 0.5 -2.5 0.5 -2.5 0.5 -1.5 1.5 -2.5 0.5 -0.5 2.5 -2.5 0.5 0.5 -2.5 -2.5 1.5 -3.5 -1.5 -2.5 1.5 -2.5 -0.5 -2.5 1.5 -1.5 0.5 -2.5 1.5 -0.5 1.5 -2.5 1.5 0.5 2.5 -2.5 1.5 1.5 -2.5 -2.5 2.5 -2.5 -1.5 -2.5 2.5 -1.5 -0.5 -2.5 2.5 -0.5 0.5 -2.5 2.5 0.5 1.5 -2.5 2.5 1.5 2.5
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