印制板实测阻抗反推介质介电常数的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)无锡江南计算技术研究所 作者:穆敦发

  为实现印制板的阻抗精确设计,通过设计阻抗测试图形和借助阻抗模拟计算软件,用迭代分析反推出介电常数,然后用介电常数再计算出理论阻抗,并将其与实际阻抗测试结果进行比较分析。结果表明:将试验反推得出叠层结构中各不同介质的介电常数用于阻抗设计,理论设计阻抗值与实测阻抗值吻合。

  引言

  随着电子行业的飞速发展,集成电路的集成度进一步提高,高频信号以及高速数字信号对传输要求越来越高。印制电路板(PCB)已不仅要求产品的电气通断测试合格,而更关注产品的特性阻抗能否达到要求。目前阻抗公差要求已由±15%逐步向±10%、±8%、±5%发展,对PCB产品的特性阻抗匹配技术提出了更高的要求。

  PCB的阻抗是板上电阻、电容、电感等的矢量综合,其影响因素一般有介电常数、介质厚度、导线宽度、导线厚度4 个因素,有的阻抗影响因素还包括阻焊厚度、导线间距等。上述影响因素中,介质厚度、导线宽度、导线厚度、导线间距、阻焊厚度在前端阻抗设计可做调整,在生产中可实现精确管控。而介电常数通常由板材厂商提供,是介质材料的固有参数,一旦叠层结构确定,生产过程中无法再做调整。此外,该因素容易导致印制板实际阻抗与设计值偏差大,因此需要对介电常数进行精确的测定。现提出一种反推介电常数的方法,根据阻抗实测值和实物切片测量值,应用Polar 公司的CITS25阻抗计算软件反推得出介电常数,阻抗设计时使用该介电常数可做到更精确的设计。

1、介电常数

  介电常数是介电材料在空气中的电容器电容与在真空状态下的电容之比,如式(1)所示。

εr = C/C0(1)

  式中,εr为介电常数;C为空气中的电容器电容;C0为真空状态下的电容器电容。

  介电材料在空气中的电容器电荷分布模型如图1 所示。当介电材料在空气中的电容器电荷分布越多,电容越大,从式(1)看出,表示介电常数越大。可见,介电常数表征的是材料储存电能能力的大小。当其数值越大时,它储存电能能力就越大,而按照式(2)计算,电路中电信号的传输速度就会变低。

 空气中电容器电荷分布模型

图1 空气中电容器电荷分布模型

印制板实测阻抗反推介质介电常数的研究

  式中,V 为传输速度,K为常数,c 为光速,εr为介电常数。

  介电常数借助专用仪器直接测量,测量方法有平行板法(Parallel Plate)、同轴探头法(Coaxial Probe)、传输线法(Transmission Line)、自由空间法(Free-Space)、谐振腔体法(Resonant Cavity)等。这些测试方法均采用测试仪表并配套不同的探针或夹具才能进行。

  印制板厂家通常采用平行板法测试,板材厂商提供的介电常数也基本是采用平行板法测得的。实际PCB 生产中层压叠层结构会用到多种不同介质厚度的材料,每种材料介质厚度不一样,树脂玻璃布的组成也不一样,因此介电常数相差很大。此外生产工艺上不同的叠层结构板面图形残铜率不同,导体间填充的树脂含量不同等,均导致各层介质间的实际介电常数差异大,实际测量的阻抗值和预期值相差较大,因此板材厂商提供的介电常数值往往不能直接用于阻抗设计,要根据经验做修正,需要采取间接测量的方法来精确界定介电常数。

4、结论

  通过设计阻抗测试图形,测试实际阻抗值再反推介电常数的方法,可以得出介质材料精确的介电常数值。将该介电常数值用于该介质材料叠构的阻抗设计上,可实现阻抗的精确匹配。

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