四大因素解析：常规阻抗控制为什么只能是 10%？

2023-06-25
广东
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随着高速信号传输，对高速 PCB 设计提出了更高的要求，阻抗控制是高速 PCB 设计常规设计，PCB 加工十几道工序会存在加工误差，当前常规板厂阻抗控制都是在 10%的误差。理论上，这个数值是越小越好，为什么是 10%？为什么不能进一步的把常规控制能力推到 8%，甚至 5%呢？

从设计上，在《阻抗板是否高可靠，华秋有话说》一文中有提及，由理论公式推导，阻抗与介质厚度、线宽、铜厚、介电常数、阻焊厚度等因素有关，但设计通常是理想值，从 PCB 加工工艺来讲，任何一道工序都会存在偏差，即所谓的制程公差，理论上讲实际值越接近理论值，最后阻抗公差就会越小，电子产品的电气性能就越优，产品可靠性越高。

综合这些阻抗影响因素，我们可以看到，本质上阻抗偏差与材料及加工过程有关。板材来料本身偏差、线路蚀刻偏差、层压带来的流胶率偏差，以及铜箔表面粗糙度、PP 玻纤效应、介质的 DF 频变效应等都会对阻抗公差有影响。

一、覆铜板的来料偏差

据 IPC-4101《刚性及多层印制板用基材规范》，覆铜板的厚度偏差分为两种，一种厚度公差包括金属箔的厚度，另一种不包括铜箔的芯板厚度。覆铜板（包括铜箔）厚度公差分三个等级（K、L 和 M），从 K 级至 M 级厚度偏差渐严。覆铜板（不包括铜箔）厚度偏差分四个等级（A、B、C、D），从 A 级至 D 级厚度偏差渐严。华秋严格选用生益/建滔 A 级 FR4 板材，从源头上控制来料偏差，控制板材对阻抗公差的影响。

二、压合制程的介质偏差

压合是 PCB 多层板制造中最重要的工序之一，简言之，压合是指将铜箔、半固化片（PP 片）和内层芯板，透过“热和压力”结合起来。通过压合工序后的 PCB，需要符合一定的板厚、阻抗控制、电气绝缘性、层之间的结合性、尺寸稳定性、板材的平整性等要求。

这里我们可以看到，压合对阻抗公差一个重要影响因素就是介质厚度，即半固化片（PP 片）的厚度。一般而言，板厂采购来的 PP 片，有一个初始厚度，这个初始厚度跟树脂含量（RC%）及玻璃布的型号相关，不同品牌 PP 片，含胶量和玻璃布厚度有一定的差异，从产品的稳定可靠而言，在满足客户需求的情况下，华秋 PCB 一般会选用固定的品牌厂商 PP 片，跟工厂压机形成一个相对稳定的参数关系，通过大量的过程数据，以确保 PCB 的压合质量。

而在实际的压合过程中，树脂在高温高压的情况下，会发生流动，多余的树脂（RF%）就会从层间溢出，剩余在层间的树脂厚度则为树脂实际厚度。

而 PP 填胶后的实际厚度计算如下：

PP 压合后厚度= 单张 PP 理论厚度 – 填胶损失

填胶损失 = (1-A 面内层铜箔残铜率)x 内层铜箔厚度 + (1-B 面内层铜箔残铜率)x 内层铜箔厚度

内层残铜率=內层走线面积/整板面积

而阻抗控制的重要影响因素中，介电常数（Dk 值）及介质厚度都有 PP 片决定，介电常数 Dk 值可由下列公式计算：

Dk=6.01-3.34R R: 树脂含量 %

综上，原材料 PP 片厚度存在固有的厚度的偏差，且经过压合的实际厚度也因为压合参数条件存在偏差的叠加，这些都会对最终的阻抗控制产生影响，阻抗公差控制在 10%的范围已比较困难。

PP 片以其玻璃布的型号区分，最常见的型号分别有 7628、2116、1080，下表为各种 PP 片、树脂含量、厚度一览表：

三、蚀刻制程的线路偏差

PCB 线路制程，一般会经过贴膜-曝光-显影-蚀刻-退膜这几道工序，线路蚀刻工序则会影响最终的线宽，从而影响阻抗控制。理论上，如果要精确地界定蚀刻的质量，那么必须保证线宽的一致性和侧蚀程度，即蚀刻因子（侧蚀宽度与蚀刻深度之比称为蚀刻因子）。

通常我们的蚀刻精度公差是 10mil 及以下的线宽按照+/-1mil 来控制，10mil 以上的线宽公差按+/-10%管控。线宽越小，蚀刻的精度公差越难控制。想要控制好线路精度及线宽一致性，PCB 板厂一方面必须配备高品质的线路曝光机和真空蚀刻机，另一方面，还需要根据蚀刻侧蚀量、光绘误差、图形转移误差，对工程底片进行工艺补偿，以达到线宽/线厚的要求。华秋拥有高精度 LDI 曝光机及宇宙水平线，线宽公差可控制±15%以内（行业普标为±20%），最小线宽线距 2.5/3.0 mil，蚀刻均匀品质高，线路精度及一致性更有保障。