PCB Tecnico - L'influenza dell'elaborazione del PCB sulle prestazioni del circuito

Anche la pianificazione più dettagliata e approfondita può talvolta essere sbagliata, come nella progettazione PCB ad alta frequenza, le sue prestazioni saranno influenzate dai normali cambiamenti di tolleranza del processo di elaborazione del circuito. Sebbene i moderni strumenti di progettazione software CAE basati sulla simulazione elettromagnetica (EM) possano simulare e prevedere le prestazioni del circuito in modelli diversi, anche il miglior software di simulazione non può prevedere alcuni cambiamenti del processo di elaborazione del circuito convenzionale. L'impatto. In particolare, la deviazione dello spessore della placcatura in rame e il conseguente cambiamento nella forma del conduttore e il conseguente cambiamento nelle prestazioni del circuito accoppiato a bordo.

Di solito lo spessore del rame galvanizzato del PCB ha un certo cambiamento. Tuttavia, a causa del processo di fabbricazione e di altri motivi, ci saranno più o meno errori nello spessore del rame galvanizzato sullo stesso materiale e nello spessore del rame galvanizzato tra materiali diversi. Questi cambiamenti nello spessore del rame placcato sono sufficienti per influenzare le prestazioni di un singolo circuito in una piccola area sul materiale del circuito, in modo da influenzare la consistenza dello stesso circuito su più schede PCB diverse.

I fori passanti placcati (PTH) solitamente realizzano la connessione conduttiva tra un lato e l'altro lato del pannello PCB nella direzione dello spessore del materiale dielettrico (asse z), o la connessione tra gli strati del conduttore nel circuito della scheda multistrato. Le pareti laterali dei vias sono placcate con rame per migliorare la loro conducibilità.

Tuttavia, il processo di placcatura in rame PTH non è né convenzionale né semplice e diversi processi possono comportare differenze nello spessore dello strato di placcatura in rame. Il metodo di placcatura in rame a foro passante PTH è solitamente placcatura in rame elettrolitico, cioè aggiungendo uno strato di rame galvanizzato sulla lamina di rame del materiale PCB per realizzare il collegamento elettrico del foro passante. Questo aumenta virtualmente lo spessore della lamina di rame del laminato e introduce un cambiamento nello spessore della lamina di rame in tutto il pannello del materiale. Variazioni nello spessore del foglio di rame in una singola scheda causeranno differenze nello spessore del foglio di rame nella stessa scheda. Allo stesso modo, lo spessore irregolare del foglio di rame tra schede diverse ridurrà anche la ripetibilità dello stesso circuito tra lotti.

Poiché la lunghezza d'onda del segnale diminuisce quando la frequenza è più alta, il cambiamento nello spessore della placcatura del rame ha un impatto maggiore sui circuiti dell'onda millimetrica rispetto ai circuiti a bassa frequenza. Tuttavia, non tutti i tipi di linee di trasmissione sono interessati allo stesso modo. Ad esempio, l'ampiezza e le prestazioni di fase delle linee di trasmissione RF / microonde microstrip sono solo leggermente influenzate dallo spessore della placcatura in rame PCB. Tuttavia, circuiti che includono linee di trasmissione coplanare a terra (GCPW) e circuiti di linea di trasmissione microtrip con caratteristiche di accoppiamento bordo causeranno cambiamenti significativi nelle loro prestazioni RF a causa di cambiamenti eccessivi nello spessore dello strato di placcatura in rame. A meno che non si tenga conto di ogni cambiamento, anche con i migliori strumenti software di simulazione elettromagnetica, l'impatto dello spessore della placcatura in rame PCB sulle prestazioni RF (ad esempio, perdita di inserzione e perdita di ritorno) non può essere previsto con precisione.

Il circuito di accoppiamento del bordo raggiunge diversi gradi di accoppiamento attraverso uno spazio molto stretto tra i conduttori di accoppiamento. A causa delle dimensioni microscopiche dello spazio, la larghezza dello spazio tra le pareti laterali accoppiate cambierà a causa dello spessore della placcatura in rame. I circuiti accoppiati sciolti (gap più grandi) sono meno influenzati dai cambiamenti nello spessore della placcatura del rame. Man mano che lo spazio tra le linee accoppiate diventa più stretto, aumenta il grado di accoppiamento e aumenta l'influenza delle tolleranze dimensionali sulla variazione dello spessore della placcatura del rame. Per i circuiti accoppiati a bordo con strati di rame più spessi, i muri laterali delle linee di trasmissione del circuito saranno anche più alti. La differenza nell'altezza delle pareti laterali porterà anche alla differenza nel coefficiente di accoppiamento e anche la costante dielettrica effettiva (Dk) ottenuta dal circuito con diverso spessore di placcatura in rame sarà diversa.

Effetto trapezoide

I cambiamenti nello spessore della placcatura del rame influenzeranno anche la forma fisica dei conduttori del circuito ad alta frequenza. A fini di modellazione, di solito si presume che il conduttore sia rettangolare. Dalla vista della sezione trasversale, la larghezza del conduttore è coerente lungo la lunghezza del conduttore. Tuttavia, questa è la situazione ideale. Il conduttore effettivo di solito ha una forma trapezoidale, con la dimensione più grande nella parte inferiore del conduttore, cioè alla giunzione del conduttore e del substrato dielettrico del circuito. Per i circuiti con rame più spesso, la forma trapezoidale diventa più seria. I cambiamenti nelle dimensioni dei conduttori causeranno cambiamenti nella densità di corrente attraverso i conduttori, che si tradurranno in cambiamenti nelle prestazioni dei circuiti ad alta frequenza.

L'impatto di questo cambiamento sulle prestazioni del circuito è diverso a causa dei diversi progetti del circuito e delle tecnologie della linea di trasmissione. Le prestazioni elettriche del circuito standard della linea di trasmissione microtrip difficilmente cambiano notevolmente a causa dell'effetto trapezoidale del conduttore, ma il circuito con caratteristiche di accoppiamento del bordo avrà un impatto significativo a causa del conduttore trapezoidale, specialmente nello strato di rame più spesso. Questo effetto diventa più evidente.

Per i circuiti accoppiati a bordo con caratteristiche di accoppiamento stretto, la modellazione al computer basata su conduttori rettangolari ideali mostra che c'è una maggiore densità di corrente sulle pareti laterali dei conduttori accoppiati. Tuttavia, se si cambia il modello del conduttore in un conduttore trapezoidale, mostrerà che una maggiore densità di corrente appare nella parte inferiore del conduttore e la densità di corrente aumenterà man mano che lo spessore del conduttore aumenta.

Man mano che la densità di corrente cambia, anche la forza del campo elettrico del conduttore trapezoidale cambia di conseguenza. Per i conduttori rettangolari accoppiati a bordo, la densità di corrente lungo le pareti laterali dell'accoppiamento è alta e gran parte del campo elettrico intorno ai conduttori è nell'aria tra i conduttori. Per i conduttori accoppiati a bordo con una forma trapezoidale, la densità di corrente sui muri laterali è inferiore e il campo elettrico occupato dall'aria tra i conduttori accoppiati è inferiore. Il Dk dell'aria è 1. Un circuito accoppiato a bordo con un conduttore rettangolare nell'aria con più campi elettrici tra i conduttori si tradurrà in un Dk efficace inferiore a quello di un circuito con conduttori trapezoidali, che ha più conduttori circostanti e materiali dielettrici. campo elettrico.

A causa del processo di produzione standard del PCB, lo spessore della placcatura in rame sul PCB può cambiare all'interno di un singolo circuito e le prestazioni del circuito di questi cambiamenti di spessore del rame cambieranno anche in base alla topologia e alla frequenza del circuito. Alle frequenze d'onda millimetriche, la dimensione / lunghezza d'onda del circuito è piccola e l'influenza dei cambiamenti di spessore è significativa. Pertanto, quando si utilizza software di simulazione del circuito per simulare le prestazioni di un dato materiale del circuito, non è solo necessario controllare rigorosamente le prestazioni del Dk, ma anche analizzare e considerare in anticipo i cambiamenti e gli effetti apportati da queste tecniche di elaborazione.