Impedansanpassade ledare på mönsterkort är snarare regel än undantag idag. Typiskt är 50 Ohm single-ended och differentialpar på 90 Ohm eller 100 Ohm (figur 1och 2) och de kan ligga på inner- eller ytterlager.

Ladda ner artikeln här (länk, pdf).
Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

För impedansberäkning finns gratis beräkningsprogram som bygger på enklare formler som inte tar hänsyn till alla parametrar. Påkostade CAD-program har mer avancerade verktyg för flerlageruppbyggnad och impedansberäkning som ger riktigt bra resultat.

Men varför kommer mönsterkortstillverkaren fram till andra beräkningar och ändringar av lageruppbyggnaden? Varför stämmer inte beräkningarna bättre och varför kan olika tillverkare komma fram till olika resultat?

En anledning kan givetvis bero på att beräkningsprogrammen, beräkningsmodellerna och teorierna ser lite olika ut. Men främst beror avvikelserna på material- och processtoleranser. Mönsterkortet består av flera lager med glasfiberväv, epoxi med fyllnadsmaterial samt koppar och lödmask. När man kombinerar dessa får man oförutsägbara värden och toleranser som är svåra att beräkna med exakthet eftersom varje mönsterkortsdesign är unik. Därför bör en räkna med ± 10 procent tolerans på impedansvärdet, 50 Ohm kan bli 45–55 Ohm.

En vanlig beräkning i CAD-program utgår ofta från branschtypiska värdena, där dielektricitetskonstanten ofta utgår från bulk εr typiskt 4,2. Lageruppbyggnader kanske görs med dielektriska avstånd i jämna 0,1 mm steg, materialtjocklekar som ibland inte finns på marknaden.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Koppartjockleken anges ofta som nominellt värde 35 µm (figur 3) eller 17 µm på inner- och ytterlager.

Dielektriskt material i form av laminat och prepreg (isolationsark som binder samman lagren) är det som orsakar störst avvikelse från beräkningarna. En till synes identisk lageruppbyggnad kan ge helt olika impedansvärden beroende på tillverkare. Mönsterkortstillverkarna använder sina egna fabrikat och prepreg med olika epoxihalt, vilket påverkar dielektricitetskonstanten.

Bulk εr på 4,2 stämmer bra på ett dubbelsidigt kort. Men flerlagerkort med flera tunna dielektriska avstånd har lägre εr runt 3,8–4,0 eftersom tunn prepreg innehåller mer epoxi. Materialens tjocklek minskar även efter flerlagerpressning och minskningen beror bland annat på layouten. Ett glest signallager ger tunnare dielektriskt avstånd, medan ett jordplan gör att pressad tjocklek hamnar närmare teoretiskt värde.

Ets- och pläteringstoleranser hos ledningsmönster påverkar också mer eller mindre beroende på dielektriskt avstånd och på vilket lager ledarna ligger. Lika stor påverkan på impedansen kan koppartjockleken ha. Koppartjockleken på innerlager minskar från 35 µm ned till 30–32 µm genom slipning och kemiska behandlingar. På ytterlager ökar istället koppartjockleken genom pläteringsprocessen, där 35 µm snarare hamnar på 40–45 µm (figur 4).

Jag rekommenderar trots allt att göra beräkningar och uppbyggnad med nominella värden eftersom varje tillverkare har sina egna material- och processtoleranser. Visserligen kan man få mer exakta impedansvärden genom att räkna med mönsterkortstillverkarens värden, men det kan också låsa konstruktionen till allt för snäva tillverkningsparametrar och laminat.

Lämpligast är att ta fram en önskad lageruppbyggnad med impedansberäkningar och sedan låta mönsterkortstillverkaren justera lageruppbyggd ledarbredd och isolation för att möta önskade impedansvärden.

Du kan också be mönsterkortstillverkaren att ge förslag på lageruppbyggnad baserad på önskade impedansvärden och ledarbredd/isolation. Genom att redan vid designstadiet ta kontakt med mönsterskortstillverkaren och tillåta justeringar i samband med produktion kan impedansvärdena hamna riktigt nära beräkningarna.

Prepreg – väv och hartshalt

Laminat och prepreg (isolationsarken) består av glasfiberväv och epoxi. Det finns ingen teknisk skillnad på materialen förutom att laminaten till innerlager redan är uthärdade och styva, medan prepreg består av halvt uthärdad epoxi med ett enda lager glasfiberväv. Vid pressning av flerlagerkortet binds innerlager samman med prepreg genom värme och tryck i en flerlagerpress. Pressprocessen får epoxin i prepreg att flyta ut och in mellan ledningsmönster på innerlager, just därför ger glesa ledningsmönster en större tjockleksminskning och variation i tjockleken.

Stabilast impedansvärden kan följaktligen uppnås genom att placera ledare och referensplan (jord) på ett innerlager eftersom dessa är stabilast i tjocklek, då det inte påverkas i samma utsträckning av pressning och layout.

Genom att fylla ut mönsterplan med koppar minskar utflytningen hos prepreg och det blir lättare att förutse den slutliga pressade tjockleken. Ytterligare en vinst med kopparutfyllning är jämnare plätering på ytterlager och mindre risk för buktning och vridning. Men tänk på att kopparbalansering måste ha tillräcklig frigång till impedansanpassade ledare för att inte ge upphov till ofrivillig koppling.

Även om vi tar hänsyn till tjockleksminskningen hos prepreg efter pressning, så återstår det faktum att en mönsterkortstillverkare kan välja ett prepreg från leverantör A med en viss hartshalt (epoximängd), medan en annan tillverkare väljer ett till synes nästan identiskt prepreg från leverantör B som har en annan hartshalt. Även om glasfiberväven är av samma typ så kommer slutlig tjocklek och utflytning skilja sig åt, likaså dielektricitetskonstanten εr som avgörs av förhållandet mellan glasfiberväv och epoxi.

Givetvis finns det fler parametrar som påverkar impedansvärdena, men dessa kräver minst lika många artiklar för att förklara. Design och layout i sig kan påverka impedansen mer än man tror, speciellt vid höga frekvenser och snabba stig/falltider, till exempel lokal avsaknad av referensplan, variationer i ledarbredd, passage genom vior eller passage runt vior där isolationsavståndet i ett diffpar varierar. Underetsning, pläteringsvariationer, vävvariationer och lödmasktjocklek är ytterligare processparametrar i mönsterkortet som påverkar impedansen i mindre skala.

MMAB: Impedansanpassade mönsterkort

Prepreg – väv och hartshalt