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淺析線路板的加工對電路性能的影響

射頻問問 ? 來源:微波射頻網(wǎng) ? 2023-01-11 11:21 ? 次閱讀

即使最詳盡周密的計劃可能有時也會出錯,在高頻電路設(shè)計中同樣也是如此,它的性能會受到電路加工過程的正常容差變化影響。雖然,基于電磁(EM)仿真的現(xiàn)代計算機輔助(CAE)軟件設(shè)計工具,能夠很好地仿真預(yù)測不同模型下的電路性能,但是,即使是最好的仿真軟件也無法預(yù)測一些常規(guī)電路加工工藝變化帶來的影響。尤其是鍍銅厚度的偏差和帶來的導(dǎo)體形狀改變,以及由此產(chǎn)生的邊緣耦合電路性能的改變。

通常印刷電路板(PCB)的電鍍銅厚度都有一定的變化。但由于制造工藝等原因,同一塊材料上的電鍍銅厚度,以及不同材料之間的電鍍銅厚度都會存在或多或少的誤差。這些電鍍銅厚度的變化,足以影響電路材料上某個小的區(qū)域內(nèi)的單個電路的性能,以致影響多個不同PCB板上相同電路的一致性。電鍍通孔(PTH)通常在介質(zhì)材料的厚度方向(z軸)實現(xiàn)PCB面板一側(cè)和另一側(cè)的導(dǎo)電連通,或多層板電路中的導(dǎo)體層之間的連接。

在過孔的側(cè)壁通過鍍銅來提高其導(dǎo)電性能。然而,PTH鍍銅工藝既不常規(guī)也不簡單,不同的工藝過程可能會得到鍍銅層的厚度差異。PTH通孔鍍銅的方式是通常采用電解鍍銅方式,即在PCB材料的銅箔上面再增加一層電鍍銅實現(xiàn)通孔的電氣連接。

這無形中增加了層壓板的銅箔厚度,整個材料板上引入了銅箔厚度的變化。單個板內(nèi)的銅箔厚度變化,會造成同一張板內(nèi)銅箔厚度的不同。類似的,不同板之間銅箔厚度的不均勻,也會降低批量間同一電路的可重復(fù)性。由于頻率較高時信號的波長會減小,因此鍍銅厚度的變化,對毫米波電路的影響要大于低頻電路的影響。但并非所有類型的傳輸線受到的影響都是一樣的,例如,RF/微波微帶傳輸線的幅度和相位性能,受PCB鍍銅厚度的影響就很小。但是,包括接地共面波導(dǎo)(GCPW)傳輸線以及具有邊緣耦合特性的微帶傳輸線電路,就會因為鍍銅層厚度的過度變化,導(dǎo)致其RF性能發(fā)生顯著改變。

除非每一處變化都考慮進去,否則即使是用最好的電磁仿真軟件工具,也無法正確預(yù)測PCB鍍銅厚度對RF性能(例如,插入損耗和回波損耗)的影響。邊緣耦合電路通過耦合導(dǎo)體間非常窄的間隙實現(xiàn)不同程度的耦合。由于間隙的微觀尺寸,耦合側(cè)壁之間的間隙寬度會因為鍍銅厚度而發(fā)生改變。松耦合的電路(間隙較大)受到鍍銅厚度變化的影響較小。

隨著耦合線之間的間隙變窄,耦合度增強,尺寸公差對鍍銅厚度變化的影響增大。具有較厚銅層的邊緣耦合電路,其電路傳輸線的側(cè)壁也會較高。側(cè)壁高度的不同也會導(dǎo)致耦合系數(shù)的不同,以及具有不同鍍銅厚度的電路得到的有效介電常數(shù)(Dk)也會不同。

梯形效應(yīng)鍍銅厚度的變化也會影響高頻電路導(dǎo)體的物理形態(tài)。出于建模目的,通常假定導(dǎo)體為矩形,從橫截面圖看,導(dǎo)體的寬度沿導(dǎo)體的長度方向都保持一致。但是,這是理想的情況。實際的導(dǎo)體通常呈梯形形狀,在導(dǎo)體的底部即導(dǎo)體與電路介質(zhì)基板的交界處具有最大的尺寸。對于銅較厚的電路,梯形形狀變得更加嚴重。導(dǎo)體尺寸的變化會導(dǎo)致通過導(dǎo)體的電流密度發(fā)生變化,從而導(dǎo)致高頻電路的性能發(fā)生變化。這種變化對電路性能的影響,因不同電路設(shè)計和傳輸線技術(shù)而不同。標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線電路的電性能幾乎不會由于導(dǎo)體的梯形效應(yīng)而發(fā)生很大變化,但具有邊緣耦合特性的電路會因梯形導(dǎo)體的而產(chǎn)生顯著影響,特別是在較厚的銅層中,這種影響變得更加明顯。對于具有緊耦合特征的邊緣耦合電路,基于理想矩形導(dǎo)體的計算機建模顯示在耦合導(dǎo)體的側(cè)壁上具有較高的電流密度。

但是,如果將導(dǎo)體模型更改為梯形導(dǎo)體,則會顯示在導(dǎo)體底部出現(xiàn)更大的電流密度,并且電流密度會隨導(dǎo)體厚度的增加而增加。隨著電流密度的變化,梯形導(dǎo)體的電場強度也會發(fā)生相應(yīng)變化。對于矩形邊緣耦合導(dǎo)體,沿其耦合側(cè)壁的電流密度高,并且導(dǎo)體周圍的電場有很大一部分在導(dǎo)體間的空氣中。對于具有梯形形狀的邊緣耦合導(dǎo)體,其側(cè)壁上的電流密度較低,耦合導(dǎo)體之間的空氣所占的電場較少。空氣的Dk是1,具有更多電場在導(dǎo)體間空氣中的矩形導(dǎo)體的邊緣耦合電路,將導(dǎo)致有效Dk低于具有梯形導(dǎo)體的電路的有效Dk,其在導(dǎo)體周圍和介質(zhì)材料中具有更多的電場。

由于標(biāo)準(zhǔn)電路制造工藝的原因,PCB上的銅鍍層厚度可能會在單個電路板內(nèi)發(fā)生變化,這些銅厚變化的電路性能也會根據(jù)電路拓撲結(jié)構(gòu)和頻率發(fā)生變化。在毫米波頻率下電路的尺寸/波長較小,厚度變化帶來的影響顯著。因此,使用電路仿真軟件仿真給定電路材料的性能時,不僅要嚴格控制Dk性能,更要事先分析和考慮這些加工工藝帶來的變化和影響。

編輯:何安

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