Elemen yang Mempengaruhi Impedansi Karakteristik PCB dan Solusi
Agar sesuai dengan kebutuhan pembangunan seperti miniaturisasi, digitalisasi, frekuensi tinggi dan fungsi ganda, kabel logam pada PCB (Printed Circuit Boards) sebagai perangkat interkoneksi dalam peralatan elektronik tidak hanya menentukan pembukaan aliran arus, tetapi juga berperan sebagai jalur transmisi sinyal. Dengan kata lain, uji listrik yang diterapkan pada PCB yang bertanggung jawab untuk mentransmisikan sinyal frekuensi tinggi dan sinyal digital berkecepatan tinggi harus mengkonfirmasi on, off, dan pintasan sirkuit di satu sisi. Ini juga harus menentukan bahwa impedansi karakteristik tidak boleh melampaui rentang yang diatur di sisi lain. Satu kata, papan sirkuit tidak akan pernah mencapai kesesuaian dengan persyaratan kecuali kedua persyaratan terpenuhi.
Kinerja sirkuit yang disediakan oleh PCB harus memastikan refleksi tidak akan terjadi selama proses transmisi sinyal; sinyal tetap terintegrasi; kehilangan transmisi dikurangi dengan pencocokan impedansi tercapai. Akibatnya, sinyal transmisi dapat dicapai secara integral, andal dan akurat tanpa gangguan atau kebisingan. Artikel ini berfokus pada kontrol impedansi karakteristik papan multilayer dengan struktur mikrostrip.
Mikrostrip Permukaan dan Impedansi Karakteristik
Dengan impedansi karakteristik yang tinggi, mikrostrip permukaan telah banyak diterapkan dalam fabrikasi PCB. Sebuah bidang sinyal diatur menjadi lapisan luar yang mengendalikan impedansi dan bahan isolasi yang digunakan untuk memisahkan bidang sinyal dan bidang datum yang berdekatan, yang dapat dilihat dengan jelas pada gambar di bawah ini.
Impedansi karakteristik dapat diketahui melalui rumus:
.
di mana Z0 mengacu pada impedansi karakteristik; r konstanta dielektrik bahan isolasi; h untuk ketebalan bahan isolasi antara jejak dan bidang datum; w dengan lebar jejak; t mengacu pada ketebalan jejak. Gambar di bawah ini dengan jelas menunjukkan arti dari setiap parameter.
Berdasarkan rumus yang ditampilkan di atas, dapat disimpulkan bahwa elemen-elemen yang mempengaruhi impedansi karakteristik meliputi:
a. Konstanta dielektrik bahan isolasi (εr );
b. Tebal bahan isolator (h);
c. Lebar jejak (w);
d. Ketebalan jejak (t).
Lebih lanjut dapat disimpulkan bahwa impedansi karakteristik berkaitan erat dengan bahan substrat (bahan CCL). Oleh karena itu, banyak pertimbangan yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan bahan substrat.
Konstanta Dielektrik dan Pengaruhnya
Konstanta dielektrik material diukur oleh produsen material ketika frekuensi berada di bawah 1MHz. Bahkan jenis bahan yang sama dapat berbeda satu sama lain ketika diproduksi oleh produsen yang berbeda karena kandungan resin yang berbeda. Ambil kain kaca epoksi sebagai contoh. Hubungan antara konstanta dielektrik kain kaca epoksi dan frekuensi dapat diringkas menjadi gambar berikut.
Jelas, konstanta dielektrik turun sebagai peningkatan frekuensi. Oleh karena itu, konstanta dielektrik bahan isolasi harus ditentukan sesuai dengan frekuensi operasi bahan dan nilai rata-rata yang mampu memenuhi kebutuhan biasa. Kecepatan transmisi sinyal akan berkurang dengan naiknya konstanta dielektrik, sehingga konstanta dielektrik harus diturunkan jika kecepatan transmisi sinyal yang tinggi dituntut. Selanjutnya, impedansi karakteristik yang tinggi harus dipastikan demi kecepatan transmisi yang tinggi, yang kemudian bergantung pada material dengan konstanta dielektrik yang rendah.
Lebar dan Tebal Jejak
Lebar jejak adalah salah satu elemen paling berpengaruh yang mempengaruhi impedansi karakteristik dan Gambar 4 di bawah menunjukkan hubungan antara impedansi karakteristik dan lebar jejak.
Berdasarkan Gambar 4, dapat disimpulkan bahwa dengan perubahan lebar jejak sebesar 0,025 mm, impedansi akan berubah setelahnya sebesar 5 menjadi 6 ohm. Namun, dalam pembuatan PCB praktis, jika foil tembaga dengan toleransi lebar 18μm dipilih sebagai bidang sinyal untuk mengontrol impedansi, toleransi lebar jejak yang diizinkan adalah ±0,015mm. Jika foil tembaga dengan toleransi lebar 35μm dipilih, toleransi lebar jejak yang diizinkan adalah ±0,003mm. Kesimpulannya, perubahan lebar jejak akan menyebabkan perubahan impedansi yang dramatis. Lebar jejak dirancang oleh desainer berdasarkan beberapa persyaratan desain dan seharusnya tidak hanya memenuhi permintaan kapasitas saat ini dan kenaikan suhu, tetapi juga membawa impedansi ke nilai yang diharapkan. Oleh karena itu, lebar jejak harus dipastikan sesuai dengan persyaratan desain dan dalam toleransi yang diizinkan.
Ketebalan jejak juga perlu ditentukan sesuai dengan kapasitas arus yang dibutuhkan dan kenaikan suhu yang diizinkan. Di bidang manufaktur, ketebalan lapisan umumnya rata-rata 25μm. Ketebalan jejak sama dengan jumlah ketebalan foil tembaga ditambah ketebalan lapisan. Perlu dicatat bahwa permukaan jejak harus dibersihkan sebelum elektroplating sehingga kontaminan dapat dihilangkan. Jika tidak, ketebalan jejak mungkin akan mengalami ketidakrataan, yang kemudian mempengaruhi impedansi karakteristik.
Ketebalan Bahan Isolasi
Berdasarkan rumus yang diperkenalkan di atas mencari impedansi karakteristik, dapat disimpulkan bahwa impedansi karakteristik berbanding lurus dengan logaritma natural ketebalan bahan isolasi (h). Setelah itu, semakin besar "h", semakin besar "Z0 Jadi, ketebalan bahan isolasi juga merupakan elemen penting yang menentukan impedansi karakteristik. Karena lebar jejak dan konstanta dielektrik bahan telah ditentukan sebelum pembuatan dan ketebalan jejak dapat dianggap sebagai nilai padat, ini adalah metode utama untuk mengontrol impedansi karakteristik melalui pengontrolan ketebalan laminasi Hubungan antara ketebalan jejak dan impedansi karakteristik dapat diringkas menjadi gambar berikut.
Dari gambar ini, dapat ditunjukkan bahwa dengan bertambahnya ketebalan sebesar 0,025 mm, impedansi karakteristik akan berubah sebesar 5 hingga 8ohm. Namun, dalam proses pembuatan PCB, perubahan besar kemungkinan akan disebabkan oleh perubahan ketebalan masing-masing laminasi. Faktanya, prepreg dengan berbagai jenis dipilih sebagai bahan isolasi dalam pembuatan dan ketebalan dapat ditentukan oleh jumlah prepreg. Ambil mikrostrip sebagai contoh. Gambar 3 dapat digunakan untuk menentukan konstanta dielektrik bahan isolasi berdasarkan frekuensi kerja yang sesuai, setelah itu impedansi karakteristik dapat diketahui. Selanjutnya, sesuai dengan lebar jejak dan nilai impedansi karakteristik yang dihitung, Gambar 4 dapat digunakan untuk mengetahui ketebalan bahan isolasi, berdasarkan jenis dan jumlah prepreg yang dapat disimpulkan berdasarkan ketebalan CCL dan foil tembaga.
Sesuai dengan Gambar 5 di atas, terlihat bahwa struktur mikrostrip memiliki karakteristik impedansi yang lebih tinggi daripada struktur stripline dengan bahan isolasi dengan ketebalan yang sama. Akibatnya, struktur mikrostrip adalah preferensi transmisi sinyal digital frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi. Selanjutnya, karakteristik meningkat dengan peningkatan ketebalan bahan isolasi. Akibatnya, ketika datang ke sirkuit frekuensi tinggi dengan impedansi karakteristik yang ketat, ketebalan bahan isolasi CCL harus mempertahankan toleransi ketat yang biasanya paling banyak 10%. Namun, untuk papan multi-lapisan, ketebalan bahan isolasi juga merupakan parameter manufaktur, sehingga harus dikontrol dengan ketat.
Kesimpulannya, bahkan sedikit perubahan dalam hal lebar jejak, ketebalan jejak, konstanta dielektrik dan ketebalan bahan isolasi dapat menyebabkan perubahan pada impedansi karakteristik. Terlepas dari elemen-elemen itu, itu terkait erat dengan lebih banyak elemen. Oleh karena itu, sangat penting bagi produsen untuk sepenuhnya menyadari elemen yang menimbulkan perubahan impedansi karakteristik dan menyesuaikan parameter manufaktur sehingga impedansi karakteristik dapat disimpan dalam kisaran yang dapat diterima.
PCBCart mampu membuat papan sirkuit tercetak dengan toleransi impedansi yang dikendalikan dalam kisaran ±5% - ±10%. Ingin tahu berapa biaya untuk membawa desain khusus Anda ke papan nyata? Gunakan kalkulator harga PCB online kami untuk mendapatkan harga PCB Anda dalam hitungan detik.
Sumber Daya Bermanfaat:
• Kontrol Impedansi dalam Desain PCB Sirkuit Digital Berkecepatan Tinggi
• Kontrol Impedansi Vias dan Pengaruhnya terhadap Integritas Sinyal dalam Desain PCB
• Pertimbangan Desain Impedansi untuk PCB Flex-Rigid
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah
