Leiterplattentechnisch - Der Einfluss der PCB-Verarbeitung auf die Schaltungsleistung

Selbst die detaillierteste und gründlichste Planung kann manchmal falsch sein, wie in Hochfrequenz-Leiterplatte Design, seine Leistung wird durch die normalen Toleranzänderungen des Schaltungsverarbeitungsprozesses beeinflusst. Although modern computer-aided (CAE) software design tools based on electromagnetic (EM) simulation can simulate and predict circuit performance under different models, Selbst die beste Simulationssoftware kann einige konventionelle Prozessänderungen nicht vorhersagen. Die Auswirkungen. Insbesondere, die Abweichung der Kupferdicke und die daraus resultierende Änderung der Leiterform, und die daraus resultierende Änderung der Leistung der randgekoppelten Schaltung.

Normalerweise Platinen galvanisieren Kupfer Dicke hat eine gewisse Veränderung. Allerdings, aufgrund des Herstellungsverfahrens und anderer Gründe, Es gibt mehr oder weniger Fehler in der Dicke des galvanisierten Kupfers auf demselben Material und in der Dicke des galvanisierten Kupfers zwischen verschiedenen Materialien. Diese Änderungen in der Dicke des galvanisierten Kupfers reichen aus, um die Leistung eines einzelnen Schaltkreises in einem kleinen Bereich auf dem Schaltungsmaterial zu beeinflussen, um die Konsistenz der gleichen Schaltung auf mehreren verschiedenen Leiterplatten zu beeinflussen.

Überzogene Durchgangslöcher (PTH) realisieren normalerweise die leitfähige Verbindung zwischen einer Seite und der anderen Seite der Leiterplattenplatte in Dickenrichtung des dielektrischen Materials (z-Achse) oder die Verbindung zwischen den Leiterschichten in der Schaltung der Mehrschichtplatte. Die Seitenwände der Vias sind mit Kupfer überzogen, um ihre Leitfähigkeit zu verbessern.

Das PTH-Kupferplattierungsverfahren ist jedoch weder konventionell noch einfach, und verschiedene Verfahren können zu Unterschieden in der Dicke der Kupferplattierungsschicht führen. Das Verfahren der PTH-Durchgangs-Kupferplattierung ist in der Regel elektrolytische Kupferplattierung, das heißt, eine Schicht galvanischem Kupfer auf die Kupferfolie des Leiterplattenmaterials hinzuzufügen, um die elektrische Verbindung des Durchgangslochs zu realisieren. Dies erhöht praktisch die Dicke der Kupferfolie des Laminats und führt zu einer Änderung der Dicke der Kupferfolie in der gesamten Materialplatte. Schwankungen in der Dicke der Kupferfolie in einer einzelnen Platine verursachen Unterschiede in der Dicke der Kupferfolie in derselben Platine. Ebenso verringert die ungleichmäßige Dicke der Kupferfolie zwischen verschiedenen Platinen auch die Wiederholbarkeit derselben Schaltung zwischen Chargen.

Da die Wellenlänge des Signals abnimmt, wenn die Frequenz höher ist, hat die Änderung der Kupferdicke einen größeren Einfluss auf Millimeterwellenschaltungen als niederfrequente Schaltungen. Allerdings sind nicht alle Arten von Übertragungsleitungen gleich betroffen. Beispielsweise werden die Amplitude und Phasenleistung von HF/Mikrowellen-Mikrostreifen-Übertragungsleitungen nur geringfügig durch die Dicke der PCB-Kupferbeschichtung beeinflusst. Allerdings werden Schaltungen einschließlich geerdeter koplanarer Wellenleiter (GCPW)-Übertragungsleitungen und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen mit Kantenkopplungseigenschaften erhebliche Änderungen in ihrer HF-Leistung aufgrund übermäßiger Veränderungen in der Dicke der Kupferschicht verursachen. Wenn nicht jede Änderung berücksichtigt wird, selbst mit den besten elektromagnetischen Simulationssoftware-Tools, kann der Einfluss der Leiterplattenverkupferung auf die HF-Leistung (z. B. Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung) nicht genau vorhergesagt werden.

Der Kantenkupplungskreislauf erreicht durch einen sehr engen Spalt zwischen den Kupplungsleitern unterschiedliche Kupplungsgrade. Aufgrund der mikroskopischen Größe des Spalts ändert sich die Breite des Spalts zwischen den gekoppelten Seitenwänden aufgrund der Dicke der Kupferbeschichtung. Locker gekoppelte Schaltkreise (größere Lücken) werden weniger durch Veränderungen der Kupferdicke beeinflusst. Wenn der Abstand zwischen den gekoppelten Leitungen enger wird, nimmt der Kopplungsgrad zu und der Einfluss von Maßtoleranzen auf die Variation der Kupferdicke nimmt zu. Bei randgekoppelten Schaltungen mit dickeren Kupferschichten sind die Seitenwände der Schaltungsleitungen ebenfalls höher. Der Höhenunterschied der Seitenwände führt auch zur Differenz des Kopplungskoeffizienten, und die effektive dielektrische Konstante (Dk), die durch den Schaltkreis mit unterschiedlicher Kupferbeschichtungsdicke erhalten wird, wird ebenfalls unterschiedlich sein.

Trapezoideffekt

Änderungen der Kupferbeschichtungsdicke beeinflussen auch die physikalische Form von Hochfrequenzschaltungsleitern. Für Modellierungszwecke wird in der Regel davon ausgegangen, dass der Leiter rechteckig ist. Aus der Querschnittsansicht ist die Breite des Leiters entlang der Länge des Leiters konstant. Dies ist jedoch die ideale Situation. Der eigentliche Leiter hat normalerweise eine trapezförmige Form, mit der größten Größe an der Unterseite des Leiters, das heißt an der Kreuzung des Leiters und des Schaltungssubstrats dielektrisches Substrat. Bei Schaltungen mit dickerem Kupfer wird die trapezförmige Form ernster. Änderungen in der Größe von Leitern führen zu Änderungen in der Stromdichte durch die Leiter, die zu Änderungen in der Leistung von Hochfrequenzschaltungen führen.

Die Auswirkungen dieser Änderung auf die Schaltungsleistung sind aufgrund unterschiedlicher Schaltungsdesigns und Übertragungsleitungstechnologien unterschiedlich. Die elektrische Leistung der Standard-Mikrostreifen-Übertragungsleitungsschaltung ändert sich aufgrund des trapezförmigen Effekts des Leiters kaum stark, aber die Schaltung mit Kantenkupplungseigenschaften wird aufgrund des Trapezleiters, insbesondere in der dickeren Kupferschicht, einen signifikanten Einfluss haben. Dieser Effekt wird deutlicher.

Bei randgekoppelten Schaltungen mit engen Kopplungseigenschaften zeigt die Computermodellierung auf Basis von idealen Rechteckleitern, dass eine höhere Stromdichte an den Seitenwänden der gekoppelten Leiter vorhanden ist. Wenn Sie jedoch das Leitermodell in einen Trapezleiter ändern, wird gezeigt, dass eine größere Stromdichte am unteren Ende des Leiters erscheint, und die Stromdichte steigt, wenn die Dicke des Leiters zunimmt.

Wenn sich die Stromdichte ändert, ändert sich auch die elektrische Feldstärke des Trapezleiters entsprechend. Bei rechteckigen, kantengekoppelten Leitern ist die Stromdichte entlang der Kupplungsseitenwände hoch, und ein großer Teil des elektrischen Feldes um die Leiter befindet sich in der Luft zwischen den Leitern. Bei randgekoppelten Leitern mit trapezförmiger Form ist die Stromdichte an den Seitenwänden geringer und das elektrische Feld, das von der Luft zwischen den gekoppelten Leitern besetzt wird, geringer. Der Dk der Luft ist 1. Ein randgekoppelter Stromkreis mit einem rechteckigen Leiter in der Luft mit mehr elektrischen Feldern zwischen Leitern führt zu einem effektiven Dk niedriger als der eines Stromkreises mit Trapezleitern, der mehr umgebende Leiter und dielektrische Materialien hat. elektrisches Feld.

Aufgrund der Norm Leiterplattenherstellungsverfahren, Die Dicke der Kupferbeschichtung auf der Leiterplatte kann sich innerhalb einer einzelnen Leiterplatte ändern, und die Schaltungsleistung dieser Kupferdickenänderungen ändert sich auch entsprechend der Schaltungstopologie und Frequenz. Bei Millimeterwellenfrequenzen, die Größe/Wellenlänge der Schaltung ist klein, und der Einfluss von Dickenänderungen ist signifikant. Daher, bei Verwendung von Schaltungssimulationssoftware zur Simulation der Leistung eines bestimmten Schaltungsmaterials, Es ist nicht nur notwendig, die Dk-Leistung streng zu kontrollieren, aber auch die Veränderungen und Auswirkungen dieser Verarbeitungstechniken im Vorfeld zu analysieren und zu berücksichtigen.