¿Qué es el control de la impedancia de las placas de circuito impreso?
Controlar la impedancia de las placas de circuito impreso significa controlar la impedancia de las trazas. Esta impedancia también se denomina impedancia controlada. La impedancia controlada es la impedancia característica de una línea de transmisión formada por trazas de PCB y sus planos de referencia. Cuando las señales de alta frecuencia viajan por líneas de transmisión de PCB, esto es importante. La impedancia controlada es importante para resolver los problemas de integridad de la señal. Integridad de la señal significa que la señal viaja sin distorsión.
La impedancia del circuito viene determinada por el tamaño físico de la placa de circuito impreso y el material dieléctrico. Se mide en ohmios (Ω). Los tipos de líneas de transmisión de PCB que necesitan control de impedancia incluyen microstrip de un solo extremo, stripline de un solo extremo, par microstrip diferencial, par stripline diferencial, microstrip embebido y coplanar (un solo extremo y diferencial).
Métodos habituales para controlar la impedancia
1. Utilizar la estructura de capas de PCB
Los diseñadores de PCB pueden utilizar la pila de capas de la placa para controlar la impedancia. Coloque diferentes capas de señal en diferentes posiciones para controlar la capacitancia y la inductancia entre capas. Por lo general, las capas interiores utilizan opciones de impedancia más alta y las capas exteriores utilizan opciones de impedancia más baja para reducir la reflexión y la diafonía.
2. Utilizar líneas de señal diferencial
Los pares diferenciales ofrecen un mejor rechazo del ruido y un menor riesgo de diafonía. Un par diferencial son dos conductores paralelos. Sus tensiones son iguales y de polaridad opuesta. Los pares diferenciales mejoran la integridad de la señal y la resistencia al ruido. La impedancia de un par diferencial se controla mediante el espaciado, la anchura de la traza y la disposición del plano de tierra.
3. Geometría del trazado de control
La anchura de la traza, el espaciado y la geometría del diseño también pueden controlar la impedancia. En el caso de la microstrip común, las trazas más anchas y el mayor espaciado reducen la impedancia. En las estructuras de tipo coaxial, un conductor interior más pequeño y un radio de conductor exterior más grande aumentan la impedancia. Elija la geometría de la traza en función de la impedancia objetivo y la frecuencia de la señal.
4. Elegir materiales para PCB
La constante dieléctrica del material de la placa de circuito impreso afecta a la impedancia. Elegir materiales con propiedades dieléctricas estables forma parte del control de la impedancia. Para alta frecuencia y alta velocidad, los materiales más comunes son fr4 (vidrio-epoxi), PTFE (teflón) y laminados RF.
5. Utilizar herramientas de simulación y diseño
Antes del diseño final de la placa de circuito impreso, utilice herramientas de simulación y diseño para comprobar y optimizar la impedancia. Estas herramientas simulan el comportamiento del circuito, la pérdida de señal y las interacciones electromagnéticas. Ayudan a encontrar los mejores parámetros para la placa. Entre las herramientas más comunes se encuentran CST Studio Suite, HyperLynx y ADS.
Efectos de la fabricación de placas de circuito impreso en la impedancia
Ancho de traza
La anchura de la traza afecta directamente a la impedancia y la pérdida de la línea de transmisión. La mayoría de los buenos ingenieros dan al fabricante de PCB una tolerancia de ancho de traza con los archivos Gerber. Por ejemplo, si un ancho de traza se diseña como 6,2 mil y su impedancia es de 50 ohm, la inestabilidad de la fabricación que cambie el ancho de traza cambiará la impedancia. Por experiencia con muchas fábricas, el ancho de traza puede variar alrededor de 10%. Podemos modelar el cambio de ancho de traza como una distribución gaussiana con una desviación estándar de 10%.
Espesor de la lámina de cobre / cobre chapado
En los productos de PCB, el grosor del cobre tiene dos partes: el grosor del cobre base y el grosor del cobre chapado. El cobre base es relativamente uniforme, pero la uniformidad del cobre chapado depende del proceso de fabricación. El cobre chapado puede variar mucho de una fábrica a otra. Diferentes espesores de cobre cambiarán la impedancia y la pérdida de la traza. La impedancia puede variar en un rango pequeño, por ejemplo entre 49,5 y 51 ohmios. En comparación con la anchura de la traza, el grosor del cobre tiene un efecto menor sobre la impedancia.
Espesor dieléctrico
En la fabricación de placas de circuito impreso, los cambios de grosor dieléctrico se deben a la variación de la materia prima, la presión de laminación y el relleno de cola. Si cambia el grosor del dieléctrico, cambian la impedancia y las pérdidas. En casos graves, las líneas de transmisión tendrán grandes pérdidas. La impedancia puede variar entre 44 y 54 ohmios. El rango puede ser tan amplio como 10 ohm.
Factor de ataque
Los conductores tienen un grosor finito. Tras el grabado, las trazas no son rectángulos perfectos. Se parecen más a un trapecio. El ángulo trapezoidal cambia con el grosor del cobre (incluido el chapado). Cuando el cobre es fino, el ángulo lateral se aproxima a 90°. El tamaño del ángulo afecta a la impedancia. Por ejemplo, cuando el ángulo de la pared lateral es de 70°, la impedancia es de unos 50 ohmios. Cuando el ángulo es de 90°, la impedancia es de unos 48,37 ohmios.
Las pruebas anteriores cambian un factor cada vez. En la producción real, múltiples variables cambian a la vez. La impedancia puede variar de unos 40 ohm a 56 ohm. Esto supera con creces un requisito típico como 50Ω ±10%. Durante la producción, muchos parámetros causan el cambio de impedancia. Para los productos de alta velocidad o de gama alta, el diseño de PCB y el proceso de fabricación deben controlar estrictamente cada material y paso. De lo contrario, el producto puede mostrar problemas inesperados.
Impedancia e impedancia característica
1. Resistencia
Cuando una corriente alterna circula por un conductor, la oposición que encuentra se llama impedancia (Impedancia). El símbolo es Z. La unidad sigue siendo el ohmio (Ω). Esta oposición difiere de la resistencia en corriente continua. En corriente alterna, además de la resistencia (R), existen la reactancia inductiva (XL) y la reactancia capacitiva (XC).
Para distinguirla de la resistencia de CC, se denomina impedancia de oposición de CA (Z).
La fórmula:
2. Impedancia (Z)
Con una mayor integración de los circuitos integrados y una mayor frecuencia y velocidad de la señal, las señales en las trazas de las placas de circuito impreso pueden verse afectadas por la propia traza de la placa. Cuando la frecuencia de la señal alcanza un límite, la traza provoca graves distorsiones o pérdidas de señal. Esto demuestra que las trazas de PCB no sólo transportan corriente, sino también energía en forma de impulsos o señales de onda cuadrada.
3. Control de la impedancia característica (Z0)
La oposición que ve una señal cuando viaja se llama impedancia característica. Su símbolo es Z0.
Por tanto, arreglar sólo “abierto”, “corto” y conectividad no es suficiente. Para las líneas de transmisión de alta velocidad y alta frecuencia, la calidad debe ser más estricta. No basta con pasar una prueba de abierto/corto o tener pequeños defectos. Hay que medir Z0 y mantenerlo dentro de la tolerancia. Si no es así, la placa debe desecharse. No hay que retocarla.
Propagación de señales y líneas de transmisión
1. Definición de una línea de transmisión de señales
Según la teoría electromagnética, a menor longitud de onda (λ) mayor frecuencia (f). Su producto es igual a la velocidad de la luz. Es decir:
Cualquier dispositivo puede tener una frecuencia de señal alta. Después de que la señal viaja a través de una traza de PCB, la señal puede ralentizarse o retrasarse.
Por tanto, una longitud de traza más corta es mejor.
Aumentar la densidad del cableado o reducir el tamaño de los hilos ayuda. Pero cuando la frecuencia de los componentes aumenta o los periodos de impulso se acortan, la longitud de la traza puede aproximarse a una porción de la longitud de onda de la señal. Entonces, la traza mostrará una distorsión evidente.
La cláusula 3.4.4 de IPC-2141 dice: cuando la longitud de una traza se aproxima a 1/7 de la longitud de onda de la señal, la traza se trata como una línea de transmisión de señal.
Por ejemplo:
Un dispositivo tiene una frecuencia de señal f = 10 MHz. La longitud de la traza de la placa de circuito impreso es de 50 cm. ¿Es necesario controlar la impedancia característica?
Computa:
Como 1/60 es mucho menor que 1/7, esta traza es un cable normal y no necesita control de la impedancia característica.
Las ecuaciones de Maxwell nos dicen: la velocidad de propagación VS de una onda sinusoidal en un medio se relaciona con la velocidad de la luz C y la constante dieléctrica εr como:
Cuando εr = 1, la velocidad de la señal es igual a la velocidad de la luz = 3 × 10^10 cm/s.
2. Velocidad de transmisión y constante dieléctrica
Velocidad de la señal a 30 MHz para distintos materiales:
| Material / Sustrato | Tg (°C) | Constante dieléctrica εr | Velocidad de la señal (m/μs) |
|---|---|---|---|
| Vacío | / | 1.0 | 300.00 |
| PTFE (teflón) | / | 2.2 | 202.26 |
| Éter de polifenileno termoestable | 210 | 2.5 | 189.74 |
| Ester de cianato | 225 | 3.0 | 173.21 |
| PTFE + vidrio E | / | 2.6 | 186.25 |
| Ester de cianato + vidrio | 225 | 3.7 | 155.96 |
| Poliamida + vidrio | 230 | 4.5 | 141.42 |
| Cuarzo | / | 3.9 | 151.98 |
| Vidrio epoxi (fr4) | 130±5 | 4.7 | 138.38 |
| Aluminio | / | 9.0 | 100.00 |
La tabla muestra: a medida que aumenta εr, disminuye la velocidad de la señal en el material. Para obtener una mayor velocidad de señal, elija una impedancia característica más alta. Para obtener una Z0 más alta, elija un material de εr más bajo. El PTFE tiene el εr más pequeño, por lo que proporciona la velocidad más rápida.
La placa fr4 utiliza resina epoxi más vidrio E. Su εr es de aproximadamente 4,7. La velocidad de la señal es de 138 m/μs. El cambio del sistema de resina puede modificar la εr.
Razones para controlar la impedancia característica
Motivo 1
Cuando un equipo electrónico (ordenador, comunicaciones) funciona, el excitador envía una señal al receptor a través de las trazas de la placa de circuito impreso. La impedancia característica Z0 de la traza debe coincidir con la impedancia electrónica del excitador y del receptor. Si coinciden, la energía de la señal se transmite completamente.
Motivo 2
Si la calidad de la placa de circuito impreso es mala y Z0 está fuera de tolerancia, las señales se reflejarán, disiparán, atenuarán o retrasarán. En casos graves, las señales pueden ser erróneas y el dispositivo puede fallar.
Motivo 3
Para que la Z0 de la placa multicapa cumpla las especificaciones del cliente, es necesario realizar una estricta selección de materiales y controlar el proceso. Los componentes electrónicos de mayor impedancia suelen necesitar una Z0 de placa de circuito impreso más alta. Una placa multicapa con una Z0 correcta es un producto cualificado de alta velocidad o alta frecuencia.
Relación de Z0 con el material y el proceso
La fórmula de la impedancia característica microstrip Z0:
Dónde:
εr - constante dieléctrica
H - espesor dieléctrico
W - anchura de la traza
T - espesor de la traza
Un εr más bajo facilita el aumento de Z0 para igualar los componentes de alta velocidad.
1. Z0 y εr
Z0 está inversamente relacionado con εr. Z0 aumenta a medida que aumenta H. Para líneas de alta frecuencia Z0 estrictas, la tolerancia del espesor dieléctrico debe ser estricta. Por lo general, la variación del espesor dieléctrico no debe superar 10%.
2. Efecto del espesor dieléctrico
Con una mayor densidad de enrutamiento, un mayor H provoca más interferencias electromagnéticas. Para líneas digitales de alta frecuencia y alta velocidad, a medida que aumenta la densidad de conductores, reduzca el grosor del dieléctrico para disminuir la EMI y la diafonía, o utilice materiales con εr inferior.
Según la fórmula, el espesor T del cobre es un factor importante. Un mayor T reduce Z0, pero el cambio es pequeño.
3. Efecto del espesor del cobre
Un cobre más fino proporciona una Z0 más alta, pero su efecto sobre la Z0 es pequeño. Usar cobre fino ayuda a hacer trazas finas y esto ayuda a controlar Z0 más que el valor del grosor del cobre por sí solo.
De la fórmula:
A medida que W (anchura de la traza) disminuye, Z0 aumenta. Cambiar la anchura tiene un mayor impacto en Z0 que cambiar el grosor.
4. Efecto de la anchura de la traza
Z0 aumenta bruscamente a medida que se reduce la anchura W. Para controlar Z0, hay que controlar mucho la anchura de la traza. Hoy en día, la mayoría de las trazas digitales de alta frecuencia y alta velocidad tienen una anchura de 0,10 mm o 0,13 mm. Tradicionalmente, la tolerancia de anchura era de ±20%. Para trazas sin línea de transmisión (longitud de traza << longitud de onda de la señal / 7), ±20% puede estar bien. Pero para trazas controladas por Z0, el error de anchura ±20% no puede cumplir los requisitos. En ese punto, el error Z0 suele superar ±10%.
Por ejemplo:
Una PCB microstrip tiene una anchura de 100 μm, un espesor de 20 μm y un espesor dieléctrico de 100 μm. Suponga que el espesor del cobre es uniforme. Si la anchura cambia ±20%, ¿puede Z0 cumplir ±10%?
Por fórmula:
Sea W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Entonces Z01 / Z02 = 1,20. Así que Z0 sólo alcanza ±10%, no dentro de ±10%. Para obtener Z0 dentro de ±10%, la variación de anchura debe ser mucho menor que ±20%. Para obtener Z0 ≤ ±5%, la tolerancia de anchura debe ser ≤ ±10%.
Esto explica por qué algunos PCB de PTFE y algunos PCB de fr4 requieren una tolerancia de anchura de ±0,02 mm. La razón es controlar Z0.
Controles de proceso para la impedancia característica
Control e inspección de la fabricación de películas
Mantenga una temperatura y humedad constantes (21±2°C, 55±5%), mantenga una sala limpia y realice la compensación del proceso de anchura.Diseño de paneles
Los bordes de los paneles no deben ser demasiado estrechos. Hacer que el chapado sea uniforme. Utilice un pseudocátodo en la galvanoplastia para distribuir la corriente. Añadir un cupón en el borde del panel para comprobar Z0.Grabado
Controlar los parámetros del proceso para reducir el destalonado. Realizar una inspección de primera pasada. Reducir el cobre residual, las rebabas de cobre y los restos de cobre. Comprobar la anchura de la traza y mantenerla dentro del rango requerido (±10% o ±0,02 mm).Inspección AOI
En las capas internas, localice los huecos y salientes de las trazas. Para señales de alta velocidad a 2 GHz, incluso un hueco de 0,05 mm puede provocar el desguace de la placa. Controlar la anchura de la capa interior y los defectos es clave.Laminación
Use laminación al vacío para bajar la presión y reducir el flujo de resina. Mantenga más resina porque la resina afecta al εr. Más resina suele reducir εr. Controlar la tolerancia del espesor de laminación. Si el grosor de la placa acabada es desigual, el grosor del dieléctrico varía y afecta a Z0.Seleccionar un buen material de base
Siga estrictamente el modelo de material del cliente. Un modelo incorrecto significa un εr incorrecto y un espesor incorrecto. Un proceso completo realizado con un material incorrecto produce chatarra porque Z0 depende en gran medida de εr.Máscara de soldadura (coverlay)
La máscara de soldadura en la superficie de la placa puede reducir Z0 en 1-3 Ω. En teoría, el grosor de la máscara de soldadura no debe ser demasiado grueso. En la práctica, el efecto no es enorme. Antes de la máscara de soldadura, la superficie del conductor interactúa con el aire (εr = 1), por lo que la Z0 medida es mayor. Después de la máscara de soldadura, Z0 cae 1-3 Ω porque la εr de la máscara de soldadura es de aproximadamente 4,0.Absorción de humedad
Evitar la absorción de humedad en los tableros multicapa acabados. El agua tiene εr ≈ 75. La humedad provoca una gran caída de Z0 e inestabilidad.
Resumen
Para las líneas de transmisión de placas multicapa, los rangos de control Z0 comunes son:
50 Ω ±10%
75 Ω ±10%
28 Ω ±10%
Para controlar la variación, considere estos cuatro factores principales:
Ancho de traza W
Espesor de la traza T
Espesor dieléctrico H
Constante dieléctrica εr
La mayor influencia es el grosor dieléctrico H. La siguiente es la constante dieléctrica εr. A continuación, la anchura de la traza W. La menor es el grosor de la traza T. Después de elegir el material base, el cambio de εr es pequeño. H puede controlarse, pero sigue variando. T es más fácil de controlar. Es difícil controlar la anchura de la traza W dentro de ±10%. Los problemas de las trazas, como agujeros de alfiler, huecos y abolladuras, también son importantes. En muchos sentidos, el método más eficaz e importante para controlar Z0 es controlar y ajustar la anchura de la traza con precisión.