何 洪

（深圳市賽碩爾科技有限公司，廣東 深圳 518000）

1 前言

隨著電子、通信產(chǎn)品的飛速發(fā)展，信號(hào)高頻化，高速化趨勢(shì)越來(lái)越顯著。在PCB制造業(yè)中，阻抗控制也日益普及并成為常規(guī)控制項(xiàng)目，阻抗控制越來(lái)越復(fù)雜，如同一層上要求的單線和差分類(lèi)型增多，同時(shí)阻抗控制公差也越來(lái)越嚴(yán)格，由±10%向±7%、±5%、±3%方向發(fā)展。相信PCB制造業(yè)界對(duì)阻抗要求和控制有很深的了解和體會(huì)。但筆者在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程會(huì)時(shí)常遇到一個(gè)棘手問(wèn)題是內(nèi)層差分阻抗線（Differential Stripline）實(shí)測(cè)阻抗比預(yù)測(cè)值偏高。與業(yè)內(nèi)同行交流中發(fā)現(xiàn)，似乎在整個(gè)PCB業(yè)界都遇到過(guò)同樣的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題困擾筆者多年。本文根據(jù)近年來(lái)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)阻抗模型計(jì)算方面的深入研究，試圖解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，希望能對(duì)業(yè)者有所幫助。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了獲得較多的、準(zhǔn)確的阻抗數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)厚約1.42 mm（56 mil）10層實(shí)驗(yàn)板；基材使用ISOLA IS415。

（1）實(shí)驗(yàn)板疊構(gòu)如圖1。

（2）實(shí)驗(yàn)板上共設(shè)計(jì)16根阻抗coupon（付連板）。每根阻抗條有6組阻抗線single-end，differential各3組。

實(shí)驗(yàn)板上阻抗條設(shè)計(jì)Layout圖和成品實(shí)物板圖如圖2。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)量非常大，本文將以L5層參考L4，L7層阻抗100 W；設(shè)計(jì)成品線寬0.10 mm（4 mil），間距0.19 mm（7.8 mil）的內(nèi)層差分阻抗線為例進(jìn)行分析。

（1）實(shí)測(cè)阻抗值數(shù)據(jù)：

阻抗測(cè)量之前安裝測(cè)量設(shè)備操作規(guī)范對(duì)泰克TDR、Probe進(jìn)行了檢查，100 W空氣線校準(zhǔn)。

（2）阻抗線切片數(shù)據(jù)：

為盡量保證切片數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組阻抗線我們分別在A，B，C三個(gè)位置進(jìn)行切片。切片位置及阻抗計(jì)算參數(shù)切片量測(cè)示意圖如圖3。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)測(cè)阻抗值Cp、Cpk分析

做實(shí)測(cè)阻抗Cp、Cpk分析的目的是了解實(shí)測(cè)阻抗值的分布情況。重點(diǎn)是分析阻抗設(shè)計(jì)參數(shù)的問(wèn)題，希望加工后的阻抗條符合設(shè)計(jì)要求。如果實(shí)測(cè)阻抗值數(shù)據(jù)分布很分散，那么由加工流程變異造成的誤差過(guò)大，數(shù)據(jù)也不能用于分析設(shè)計(jì)問(wèn)題。

注：切片樣品編號(hào)6-16數(shù)據(jù)無(wú)異常，阻抗實(shí)測(cè)值在110.82Ω~106.25Ω之間，列表省略了。

由于實(shí)測(cè)阻抗值偏離目標(biāo)值太多，如果以目標(biāo)值100 W進(jìn)行Cpk分析，Cp會(huì)很大，Cpk會(huì)非常小，實(shí)際參考意義不大。我們先拋開(kāi)設(shè)計(jì)目標(biāo)值，只看測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，觀察其分布情況。

以110 W±11 W 公差為上下限進(jìn)行Cpk分析，實(shí)測(cè)阻抗值的數(shù)據(jù)集中性非常好，Cp＞2， Cpk＞1.66已達(dá)到6sigma水平。結(jié)合切片數(shù)據(jù)來(lái)看，線寬、銅厚數(shù)據(jù)波動(dòng)不大，數(shù)據(jù)適合進(jìn)一步分析。

4.2 阻抗模擬計(jì)算

（1）阻抗模擬計(jì)算我們使用業(yè)界普遍使用英國(guó)Polar公司SI9000阻抗計(jì)算軟件。

（2）從16個(gè)切片數(shù)據(jù)中選取實(shí)測(cè)阻抗值最接近阻抗值平均值的編號(hào)15的切片數(shù)據(jù)帶入SI9000進(jìn)行模擬計(jì)算：

阻抗計(jì)算參數(shù)如下。

相對(duì)介電常數(shù)Er參數(shù)值選取參照ISOLA IS415 Datasheet中頻率2GHz的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)板疊構(gòu)中使用0.101 mm（4 mil）core和2116PP，因0.101 mm（4 mil）core也是2116PP壓合而成，故我們都使用2116PP的Dk參數(shù)（注：本文中Dk，Er均表示相對(duì)介電常數(shù)。

Er1=3.7，對(duì)應(yīng)介電層為疊構(gòu)中L4-L5：0.101 mm（4 mil ）core；Er2=3.7，對(duì)應(yīng)介電層為疊構(gòu)中L5-L7：3張2116PP+0.101 mm（4 mil）core。

使用SI9000中標(biāo)準(zhǔn)的Differential stripline模型計(jì)算阻抗結(jié)果如圖5。

按實(shí)際切片數(shù)據(jù)計(jì)算出的阻抗與設(shè)計(jì)值一致，可見(jiàn)受控的加工流程產(chǎn)生的誤差對(duì)阻抗結(jié)果影響非常小。

那為是什么導(dǎo)致實(shí)測(cè)阻抗值比設(shè)計(jì)值高出這么多呢？

有兩種可能（阻抗測(cè)量前已對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，可以排除測(cè)量誤差）：

Dk數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確，因?yàn)槌善穼?shí)驗(yàn)板的Dk參數(shù)是唯一我們無(wú)法實(shí)際測(cè)量。

設(shè)計(jì)值有問(wèn)題，SI9000阻抗計(jì)算模型可能不準(zhǔn)確。

首先SI9000反推計(jì)算看看什么Dk值可以達(dá)到109歐阻抗值。當(dāng)Er1，Er2＝3.1時(shí)阻抗值達(dá)到109 W。Dk=3.1與ISOLA datasheet中 2116的Dk＝3.7相差甚遠(yuǎn)，參考目前普通FR4中最Low Dk，Low Df基材松下Megtron62116PP Dk＝3.6（1）?？梢耘袛鄦?wèn)題不在Dk數(shù)據(jù)上面。那么設(shè)計(jì)值不準(zhǔn)成為最大的嫌疑。

表2

阻抗仿真計(jì)算方法有多種，我們使用認(rèn)為最簡(jiǎn)單直觀的靜電場(chǎng)分布方法來(lái)解釋?zhuān)?/p>

阻抗模型：在同一層面相鄰導(dǎo)線間，左邊導(dǎo)線trace電勢(shì)+1 V，右邊導(dǎo)線trace電勢(shì)-1 V，上下Ground層電勢(shì)為0 V；導(dǎo)線trace的高電勢(shì)（+1 V，-1 V）向區(qū)域內(nèi)低電勢(shì)0V區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散傳播。

阻抗值計(jì)算：模型區(qū)域劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的Er值計(jì)算出網(wǎng)格的電勢(shì)，得到電勢(shì)后就可進(jìn)一步求出阻抗值。（阻抗求解過(guò)程復(fù)雜且不是本文重點(diǎn)，略過(guò)）

從靜電場(chǎng)分布圖可以看到導(dǎo)線周?chē)碾妱?shì)非常強(qiáng)，遠(yuǎn)離區(qū)域的電勢(shì)非常低，接近0 V了。接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看看Er分布情況。 我們知道FR-4基材是樹(shù)脂（Er_Resin范圍2.6～3.2）和玻璃纖維（Er_Glass范圍4.8～5.6）組成（通過(guò)筆者計(jì)算，IS415玻纖Dk大約是5.0；樹(shù)脂的Dk大約是2.668。），介電層中Er分布是不均勻的。從切片圖我們也可以看到銅箔導(dǎo)線層在壓合之后樹(shù)脂會(huì)填充兩導(dǎo)線之間，導(dǎo)線兩側(cè)也由樹(shù)脂填充。也就是說(shuō)靜電場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域絕大部分是低Er值的樹(shù)脂，減弱區(qū)域有大部分是低Er值的樹(shù)脂。

現(xiàn)在我們可以總結(jié)造成實(shí)測(cè)阻抗值比設(shè)計(jì)值偏大的原因：

（1）內(nèi)層差動(dòng)阻抗模型電場(chǎng)是不均勻分布，導(dǎo)線周?chē)鷧^(qū)域電場(chǎng)較強(qiáng)，對(duì)阻抗值影響最大。

（2）PCB介電層Er也是不均勻分布，在導(dǎo)線周?chē)膹?qiáng)電場(chǎng)區(qū)域絕大部分是低Er值的樹(shù)脂填充。

（3）根據(jù)Er跟阻抗值成反比關(guān)系⑵，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的低Er值樹(shù)脂造成實(shí)測(cè)阻抗值偏高。

上面分析的結(jié)果并非筆者首次發(fā)現(xiàn)的，筆者后來(lái)在Polar公司網(wǎng)站找到了同樣結(jié)論的闡述（3）。Polar公司也從SI8000開(kāi)始引入改進(jìn)后的內(nèi)層差分阻抗模型。

改進(jìn)模型計(jì)算結(jié)果100.95 W比原模型結(jié)果99.77 W大了1.18 W，增大比例不足1.5%，與實(shí)測(cè)值均值109 W仍然差很多。對(duì)于改進(jìn)模型的結(jié)果，為什么還是差這么多呢，是靜電場(chǎng)理論有問(wèn)題？還是我們樹(shù)脂的Dk值計(jì)算有問(wèn)題？還是SI9000的改進(jìn)模型問(wèn)題？

按照靜電場(chǎng)分布理論來(lái)看，樹(shù)脂Er值較小的變化都引起阻抗較大的變化。我們分別按樹(shù)脂極限D(zhuǎn)k值Er_Resin=2，Er_Resin=3.2，與IS415樹(shù)脂Dk＝2.668進(jìn)行對(duì)比：

樹(shù)脂的Dk值變化如此之大，SI9000改進(jìn)模型中引入的樹(shù)脂Dk參數(shù)對(duì)最終結(jié)果的影響卻如此之小，超出筆者的想象。筆者看不出改進(jìn)模型有何實(shí)際意義。SI9000引入的改進(jìn)模型不但沒(méi)有解決問(wèn)題，更表明SI9000的內(nèi)層差動(dòng)阻抗模型對(duì)FR-4玻纖樹(shù)脂混合介電層處理得很不理想。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到此，謎底基本揭曉。但現(xiàn)實(shí)問(wèn)題依然困擾著筆者，也激勵(lì)著筆者繼續(xù)探索尋找更準(zhǔn)確的仿真計(jì)算方法。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）有些業(yè)界朋友把Dk反推運(yùn)用到生產(chǎn)，筆者個(gè)人是不太贊成這種做法。首先反推Dk缺乏合理的理論基礎(chǔ)支持，同時(shí)不利于工程師按規(guī)則設(shè)計(jì)。另外反推的Dk有效性很差，這次反推修改OK，下次失敗又要反推；差分阻抗反推Dk用在單端阻抗也會(huì)出問(wèn)題?？傊?，疊構(gòu)決定Dk分布，疊構(gòu)不同每次反推的Dk都會(huì)不同。

（2）使用Polar SI系列軟件時(shí)，如果遇到Low Dk基材、銅厚＞17.1 mm 1/2 oz時(shí)，要小心內(nèi)層差分阻抗的設(shè)計(jì)。因?yàn)長(zhǎng)ow Dk基材樹(shù)脂的Dk比較低，厚銅時(shí)導(dǎo)線間填充的樹(shù)脂會(huì)比較多；根據(jù)電場(chǎng)分布圖可知這兩種情況都會(huì)造成阻抗偏高很多。如本文中IS415基材，34.3 mm（1 oz）銅厚，阻抗偏差達(dá)8%接近10%公差限。

因筆者水平有限，錯(cuò)誤之處在所難免，歡迎各位批評(píng)指正。

[1]Panasonic High Speed, Low Loss Multi-layer Materials Megtron6 Data Sheet, https://www3.panasonic.biz/em/pcbm/en/product/r5775/1_Application_Features/index.html.

[2]Calculation of PCB Track Impedance, Andrew J Burkhardt, Christopher S Gregg and J Alan Staniforth.

[3]在使用編織玻璃纖維加強(qiáng)的疊層板時(shí), 為何測(cè)量阻抗與場(chǎng)求解程序得到的計(jì)算值不同, http://www.polarinstruments.com/cn/support/cits/AP139.html.