深入探究內(nèi)層差分阻抗實測值比設計值偏高之秘

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，信號高頻化，高速化趨勢越來越顯著。在PCB制造業(yè)中，阻抗控制也日益普及并成為常規(guī)控制項目，阻抗控制越來越復雜，如同一層上要求的單線和差分類型增多，同時阻抗控制公差也越來越嚴格，由±10%向±7%、±5%、±3%方向發(fā)展。相信PCB制造業(yè)界對阻抗要求和控制有很深的了解和體會。但筆者在實際生產(chǎn)過程會時常遇到一個棘手問題是內(nèi)層差分阻抗線（Differential Stripline）實測阻抗比預測值偏高。與業(yè)內(nèi)同行交流中發(fā)現(xiàn)，似乎在整個PCB業(yè)界都遇到過同樣的問題，這個問題困擾筆者多年。本文根據(jù)近年來實際的生產(chǎn)經(jīng)驗和對阻抗模型計算方面的深入研究，試圖解開這個謎團，希望能對業(yè)者有所幫助。

2 實驗設計

為了獲得較多的、準確的阻抗數(shù)據(jù)，我們設計了一個厚約1.42 mm（56 mil）10層實驗板；基材使用ISOLA IS415。

（1）實驗板疊構如圖1。

（2）實驗板上共設計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。

實驗板上阻抗條設計Layout圖和成品實物板圖如圖2。

3 實驗數(shù)據(jù)收集

因實驗數(shù)據(jù)量非常大，本文將以L5層參考L4，L7層阻抗100 W；設計成品線寬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行分析。

（1）實測阻抗值數(shù)據(jù)：

阻抗測量之前安裝測量設備操作規(guī)范對泰克TDR、Probe進行了檢查，100 W空氣線校準。

（2）阻抗線切片數(shù)據(jù)：

為盡量保證切片數(shù)據(jù)的準確性，每組阻抗線我們分別在A，B，C三個位置進行切片。切片位置及阻抗計算參數(shù)切片量測示意圖如圖3。詳細數(shù)據(jù)如表1。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 實測阻抗值Cp、Cpk分析

做實測阻抗Cp、Cpk分析的目的是了解實測阻抗值的分布情況。重點是分析阻抗設計參數(shù)的問題，希望加工后的阻抗條符合設計要求。如果實測阻抗值數(shù)據(jù)分布很分散，那么由加工流程變異造成的誤差過大，數(shù)據(jù)也不能用于分析設計問題。

注：切片樣品編號6-16數(shù)據(jù)無異常，阻抗實測值在110.82Ω~106.25Ω之間，列表省略了。

由于實測阻抗值偏離目標值太多，如果以目標值100 W進行Cpk分析，Cp會很大，Cpk會非常小，實際參考意義不大。我們先拋開設計目標值，只看測試得到的數(shù)據(jù)，觀察其分布情況。

以110 W±11 W 公差為上下限進行Cpk分析，實測阻抗值的數(shù)據(jù)集中性非常好，Cp＞2， Cpk＞1.66已達到6sigma水平。結合切片數(shù)據(jù)來看，線寬、銅厚數(shù)據(jù)波動不大，數(shù)據(jù)適合進一步分析。

4.2 阻抗模擬計算

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

（2）從16個切片數(shù)據(jù)中選取實測阻抗值最接近阻抗值平均值的編號15的切片數(shù)據(jù)帶入SI9000進行模擬計算：

阻抗計算參數(shù)如下。

相對介電常數(shù)Er參數(shù)值選取參照ISOLA IS415 Datasheet中頻率2GHz的數(shù)據(jù)。實驗板疊構中使用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均表示相對介電常數(shù)。

Er1=3.7，對應介電層為疊構中L4-L5：0.101 mm（4 mil ）core；Er2=3.7，對應介電層為疊構中L5-L7：3張2116PP+0.101 mm（4 mil）core。

使用SI9000中標準的Differential stripline模型計算阻抗結果如圖5。

按實際切片數(shù)據(jù)計算出的阻抗與設計值一致，可見受控的加工流程產(chǎn)生的誤差對阻抗結果影響非常小。

那為是什么導致實測阻抗值比設計值高出這么多呢？

有兩種可能（阻抗測量前已對測量設備進行校驗，可以排除測量誤差）：

Dk數(shù)據(jù)可能不準確，因為成品實驗板的Dk參數(shù)是唯一我們無法實際測量。

設計值有問題，SI9000阻抗計算模型可能不準確。

首先SI9000反推計算看看什么Dk值可以達到109歐阻抗值。當Er1，Er2＝3.1時阻抗值達到109 W。Dk=3.1與ISOLA datasheet中 2116的Dk＝3.7相差甚遠，參考目前普通FR4中最Low Dk，Low Df基材松下Megtron62116PP Dk＝3.6（1）。可以判斷問題不在Dk數(shù)據(jù)上面。那么設計值不準成為最大的嫌疑。

表2

阻抗仿真計算方法有多種，我們使用認為最簡單直觀的靜電場分布方法來解釋：

阻抗模型：在同一層面相鄰導線間，左邊導線trace電勢+1 V，右邊導線trace電勢-1 V，上下Ground層電勢為0 V；導線trace的高電勢（+1 V，-1 V）向區(qū)域內(nèi)低電勢0V區(qū)域進行擴散傳播。

阻抗值計算：模型區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，根據(jù)每個網(wǎng)格的Er值計算出網(wǎng)格的電勢，得到電勢后就可進一步求出阻抗值。（阻抗求解過程復雜且不是本文重點，略過）

從靜電場分布圖可以看到導線周圍的電勢非常強，遠離區(qū)域的電勢非常低，接近0 V了。接下來我們再來看看Er分布情況。 我們知道FR-4基材是樹脂（Er_Resin范圍2.6～3.2）和玻璃纖維（Er_Glass范圍4.8～5.6）組成（通過筆者計算，IS415玻纖Dk大約是5.0；樹脂的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線層在壓合之后樹脂會填充兩導線之間，導線兩側也由樹脂填充。也就是說靜電場強區(qū)域絕大部分是低Er值的樹脂，減弱區(qū)域有大部分是低Er值的樹脂。

現(xiàn)在我們可以總結造成實測阻抗值比設計值偏大的原因：

（1）內(nèi)層差動阻抗模型電場是不均勻分布，導線周圍區(qū)域電場較強，對阻抗值影響最大。

（2）PCB介電層Er也是不均勻分布，在導線周圍的強電場區(qū)域絕大部分是低Er值的樹脂填充。

（3）根據(jù)Er跟阻抗值成反比關系⑵，強電場區(qū)域的低Er值樹脂造成實測阻抗值偏高。

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

改進模型計算結果100.95 W比原模型結果99.77 W大了1.18 W，增大比例不足1.5%，與實測值均值109 W仍然差很多。對于改進模型的結果，為什么還是差這么多呢，是靜電場理論有問題？還是我們樹脂的Dk值計算有問題？還是SI9000的改進模型問題？

按照靜電場分布理論來看，樹脂Er值較小的變化都引起阻抗較大的變化。我們分別按樹脂極限Dk值Er_Resin=2，Er_Resin=3.2，與IS415樹脂Dk＝2.668進行對比：

樹脂的Dk值變化如此之大，SI9000改進模型中引入的樹脂Dk參數(shù)對最終結果的影響卻如此之小，超出筆者的想象。筆者看不出改進模型有何實際意義。SI9000引入的改進模型不但沒有解決問題，更表明SI9000的內(nèi)層差動阻抗模型對FR-4玻纖樹脂混合介電層處理得很不理想。實驗進行到此，謎底基本揭曉。但現(xiàn)實問題依然困擾著筆者，也激勵著筆者繼續(xù)探索尋找更準確的仿真計算方法。

5 結語

（1）有些業(yè)界朋友把Dk反推運用到生產(chǎn)，筆者個人是不太贊成這種做法。首先反推Dk缺乏合理的理論基礎支持，同時不利于工程師按規(guī)則設計。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用在單端阻抗也會出問題。總之，疊構決定Dk分布，疊構不同每次反推的Dk都會不同。

（2）使用Polar SI系列軟件時，如果遇到Low Dk基材、銅厚＞17.1 mm 1/2 oz時，要小心內(nèi)層差分阻抗的設計。因為Low Dk基材樹脂的Dk比較低，厚銅時導線間填充的樹脂會比較多；根據(jù)電場分布圖可知這兩種情況都會造成阻抗偏高很多。如本文中IS415基材，34.3 mm（1 oz）銅厚，阻抗偏差達8%接近10%公差限。

因筆者水平有限，錯誤之處在所難免，歡迎各位批評指正。

[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的疊層板時, 為何測量阻抗與場求解程序得到的計算值不同, http://www.polarinstruments.com/cn/support/cits/AP139.html.