PCB叠层与阻抗制作工艺介绍

PCB叠层与阻抗制作工艺介绍讲解：尤志敏内容简介概念及目的阻抗的影响因素叠层规则阻抗计算我司工程与生产控制阻抗测试未来发展趋势概念及目的阻抗简单的说，在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。特性阻抗又称“特征阻抗”。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流（I），而如果信号的输出电平为（V），在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为（V/I），把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z0。特性阻抗受介电常数、介质厚度、线宽等因素影响。概念介绍随着信号传输速度的提高和高频电路的广泛应用，电子产品的高频、高速化，要求PCB提供的电路性能必须保证信号在传输过程中不发生反射，保持信号完整、不失真；PCB在电子产品中不仅起电流导通的作用,同时也起信号传送的作用;阻抗匹配在高频设计中是很重要的，阻抗匹配与否关系到信号的质量优劣。而阻抗匹配的目的主要在于传输线上所有高频的微波信号皆能到达负载点，不会有信号反射回源点。因此，在有高频信号传输的PCB板中，特性阻抗的控制是尤为重要的，且特性阻抗是解决信号完整性问题的核心所在；控制特性阻抗的意义概念及目的阻抗的影响因素从PCB制造的角度来讲，影响阻抗的关键因素主要有：线宽（W1、W2）线厚（T1）介质厚度（H1、H2）介质常数（Dk）差分线间距（S1）Er相对电容率(原俗称Dk介质常数)，白容生对此有研究和专门诠释。另外表面工艺电金(或镀金)工艺在外层线路蚀刻工艺上与其它表面工艺不同，线路补偿有所差导，前者阻抗计算结果会偏大3-5ohm，因此与订单更改表面工艺为镀金或镀金工艺与其他工艺切换时阻抗要重新计算。阻抗线是否覆盖阻焊对阻抗值也有影响（单端阻抗影响约2-3ohm，差分阻抗影响约7-8ohm）。如上图所示Z0与线宽W成反比，线宽越大，Z0越小；Z0与铜厚成反比，铜厚越厚，Z0越小；Z0与介质厚度成正比，介质厚度越厚，Z0越大；Z0与介质介电常数的平方根成反比，介电常数越大，Z0越小。Z0与差分线间距成正比，差分线间距越大，Z0越大；各因素与阻抗的关系阻抗的影响因素阻抗的影响因素各因素对阻抗的影响幅度参数控制偏差Z0/ohmZ0变化率/%介质层厚度H=6mil+10%55.755.81-10%49.69-6.25介电常数εr=4.0+0.250.71-4.22-0.255.244.80线宽W=10.0mil+10%50.19-5.26-10%55.795.89铜厚T=2.0mil+10%52.55-0.56-10%53.130.60各参数控制偏差对阻抗控制精度的影响程度阻抗的影响因素叠层规则板材与半固化片的选择对于满足以下条件之一者需选用高TG板材：（如IT180A、FR408HR、370HR、S1000-2）1）按照国军标验收标准；

2）无铅喷锡表面工艺；3）内层或外层铜厚度≥3OZ；4）层数≥12层；5）设计成品板厚度≥2.5mm；6）板内密集散热孔（各层均直接钻在铜皮上或花焊盘上，数量以≥3*3界定）孔径补偿后孔壁间距＜1.0mm其余难度的可选择普通TG板材：如S1141、VT481优先选用成本较低的PP成本比较：106＞3313＞2116＞7628＞1080叠层规则二.叠层设计优先选用较厚的芯板。芯板越厚尺寸稳定性越好，减少涨缩问题；多层板对称层芯板厚度、类型选择尽量一致，对称层半固化片使用同样也要对称，减少因板材涨缩不一致带来的翘曲问题；最终板厚是否可满足设计要求；叠层设计理论厚度为完成板厚-0.1mm；板厚计算公式：理论厚度=芯板的基材厚度+半固化片理论厚度－内层基铜厚×（1－内层残铜率）+各层基铜厚设计叠层时尽量少数量的使用PP，一般每两层之间半固化片≤3张；为防止织纹显露缺陷，含胶量较高的半固化片叠放在外层；半固化片型号的选择，应优先满足流胶问题，然后考虑其生产成本。含胶量比较：106＞1080＞3313＞2116＞7628。对于7628一般只能组合使用，1080和106一般不单张使用，只能和其他PP组合使用；半固化片选择依次为（2116-3313-1080-106,优先推荐2116，其次3313,再是组合PP,批量板次外层不推荐3313单张使用）

半固化片使用见附表：叠层规则二.叠层设计高频材料PTFE和非PTFE类型：因高频PP片含胶量低，结合力差容易分层，因此不可采用铜箔+PP+CORE+PP+铜箔的结构。需采用CORE+PP+CORE的类型，另外关于单张高频PP片的使用还需谨慎考虑是否会存在填胶不足、微短和分层等问题和隐患，建议至少使用2张；板材混压：

混压板是指不同型号材料压合在一起，常见的混压类型为高频材料材料与常规FR-4材料混压，起到节约高频材料成本的目的；在设计混压时，应先遵循客户设计要求，但顾客要求必须要满足以下条件：同一次层压中不允许出现两种型号半固化片，尤其是不同Tg材料；多次压合可以使用2种半固化片，但需满足第一次压合材料的温度≥第二次压合温度。（例如：第一次压合只使用Ro4450B，第二次只使用S0401）阻抗计算阻抗设计软件介绍我司主要使用的阻抗设计软件为Polar-Si8000该软件总共包含了93种阻抗计算模式设计中常用的模式有8种，外层选用无阻焊覆盖模式微带线带状线微带共面地带状共面地阻抗设计软件介绍阻抗计算H1：阻抗线到其参考层的高度Er1：层间介质的介电常数W1：下线宽W2：上线宽S1：线间距T1：铜厚阻抗计算外层差分无阻焊模式各项参数填写参照前页此种模式关键在于正确的填写H1、H2H1判断方法：1、阻抗线所在的芯板厚度；2、阻抗线大开口对应的介质厚度H1与H2的相同点：都是介质厚度H1与H2的不同点：H2是含铜厚度，即其厚度为介质厚度加上阻抗线的铜厚度。阻抗计算内层相邻层屏蔽模式如上图所示，由于生产中蚀刻药水对铜表面接触的充分，而与下方接触相对较弱，因此蚀刻出来的线宽呈梯形，且W1>W2；从图中可知,下线宽W1所接触的介质为芯板,因此阻抗计算软件中的H1值即为芯板厚度,Er1、Er2即为对应介质的介电常数。芯板贴膜曝光显影蚀刻蚀刻药水流向退膜W1W2H1阻抗计算Er1、Er2对应的介电常数选择常用FR4板材介电常数芯板（mm）0.0510.0750.1020.130.150.180.210.250.360.510.71≥0.8英制（mil）23.045.15.97.08.271014.52028≥31.5介电常数普通TG(S1141)3.63.653.953.953.654.23.953.954.24.14.24.2高TG(IT180A)3.93.954.254.253.954.54.254.25

4.54.44.54.5类别半固化片类型1061080331321167628Tg≤170理论实际厚度（mm）0.05130.07730.10340.11850.1951介电常数3.63.653.853.954.2IT180AS1000-2B理论实际厚度（mm）0.05110.077270.09870.11740.1933介电常数3.93.954.154.254.5常用半固化片的厚度、介电常数介质层厚度、介电常数参数层压测试100%残铜率时PP厚度；介电常数通过阻抗值反推获得（部分板材直接采用供应商提供值）。阻抗计算内外层铜厚及线宽上表中的参数分别为阻抗计算时的铜厚（T1）与上（W2）、下（W1）线宽取值W0和S0分别代表原始设计线宽、线距标称基铜规格（um）1218355070内层计算铜厚T（mil）\0.651.25\2.56外层计算铜厚T（mil）22.22.93.33.94基铜厚上线宽（mil）下线宽（mil）线距（mil）内层18umW0-0.1W0S0内层35umW0-0.4W0S0内层70umW0-1.2W0S0外层12umW0-0.6W0+0.6S0-0.6外层18umW0-0.6W0+0.7S0-0.7外层35umW0-0.9W0+0.9S0-0.9外层50umW0-1.1W0+1.1S0-1.1外层12um（全板镀金工艺）W0-1.2W0S0外层18um（全板镀金工艺）W0-1.2W0S0外层35um（全板镀金工艺）W0-2.0W0S0阻抗计算外层阻抗计算存在阻焊覆盖与无阻焊覆盖模式，如下图在实际生产中，阻焊对线路的阻抗是有影响的，但阻焊覆盖模式在阻抗计算时参数较多，较复杂；为优化阻抗计算，我公司技术中心通过试验分析总结出阻焊对阻抗的影响关系,总结出如下合理的阻抗计算公式：Z0(盖阻焊模式)=Z(不盖阻焊模式)*0.9+3.2阻抗计算举例说明：客户要求外层单端阻抗为50Ω那么无阻焊模式的软件设计值应为：

Z=（Z0-3.2）/0.9=（50-3.2）/0.9=52Ω客户要求外层差分阻抗为100Ω那么无阻焊模式的软件设计值应为：Z=（Z0-3.2）/0.9=（100-3.2）/0.9=107.5Ω阻抗计算阻抗计算若有阻抗控制要求时需提供以下信息：阻抗控制线宽、所在层、要求阻抗值、板厚、铜厚、层间介质厚度要求（有时可能无）。可在GERBER文件中说明（一般在孔位图层）或其它文档中进行说明；根据设计文件选用对应的阻抗计算模式；输入正确的各项参数特别注意H1，H2参数的取值，其线路方向是决定H1，H2区间的关键；避免不同阻抗值要求的阻抗线设计为同一线宽，导致若需调整阻抗线宽时无法在gerber文件中准确识别；如：设计文件中有4mil单端线、4/6mil、4/8mil差分线，线宽相同则在gerber中较难区分，可优化为：4mil单端线，4.1/5.9mil、4.2/7.8mil差分线。信号层间的相互干扰（具体体现在对某两层间的介质厚度要求）线宽是否能满足电流要求;是否可以满足布线密度；阻抗计算中需注意的事项当选定板材类型和完成高频线路或高速数字线路的PCB设计之后，则特性阻抗值已确定，但是真正要做到预计的特性阻抗或实际控制在预计的特性阻抗值的范围内，只有通过PCB生产加工过程的管理与控制才能达到。我司的工程与生产控制阻抗控制难点介质层厚度：图形分布不均，导致介质层厚度不均匀，阻抗出现波动、不连续。线宽：线宽/间距越来越小，线宽精度难以达到+/-10%；外层电镀均匀性问题，铜厚受电镀参数、图形分布均匀性、挂板方式等因素影响，不同图形铜厚差异大，导致线宽不一致；我司的工程与生产控制产品工程部根据客户采用的板材、线宽、叠层设计，采用PolarSI8000软件计算并调整阻抗。客户设计值允许公差≤50ohm±1.0ohm50ohm＜设计值≤75ohm±1.5ohm＞75ohm±2.0ohm工程计算阻抗值与设计值偏差要求以下调整不需确认：（1）介质层厚度调整≤1mil；（2）线宽、间距调整≤0.5mil。我司的工程与生产控制在拼板时增加阻抗测试条如右图所示，工程在生产拼板中增加阻抗测试条，测试条中的阻抗线宽及参考平面与PCB文件中必须一致，保证测试条阻抗数据的有效性；编写MI指示增加“阻抗测试”流程层压工序中备注叠层不可更改。阻抗测试条PCBPCB我司的工程与生产控制工序控制要点开料1.使用C/M级（三级）公差的板材；

2.同一块板及板与板之间的厚度偏差+/-5%。内层干膜1.先对非阻抗板连续贴膜15min后，待各项参数稳定后再生产阻抗板；

2.显影放板有阻抗线一面朝下，如两面都有阻抗线，阻抗线较多或线路较密的一面朝下。内层蚀刻1.设备保养或药水更新后，先生产非阻抗板，设备连续运行15min后，再生产阻抗板；

2.蚀刻放板有阻抗线控制那一面朝下放板，如两面都有阻抗线的板，阻抗线较多或线路密集的一面朝下；

3.阻抗板必须做首板，内层首板蚀刻后经AOI检查合格后方可批量生产；

4.负片蚀刻有阻抗要求的，首板需送物理实验室测量阻抗。AOI1.对有阻抗要求的内层板，必须对阻抗线及单元内线宽进行测量，按照每10片抽测1片的频率；

2.阻抗线宽要求公差+/-10%，测量线宽时，测量点不少于2处。棕化阻抗板最多只能返工1次。我司的工程与生产控制工序控制要点层压阻抗板压合后，需对板厚及均匀性进行检测。图形电镀1.采用双面整流，夹板时同一面朝向相同，最外边夹具上应夹夹边条。

2.外层阻抗控制公差＜+/-10%的板，需做首板。首板需检测铜厚、有无夹膜，线宽、阻抗测量合格后方可批量生产。外层蚀刻1.蚀刻时阻抗线较