3D列印PCB如何幫助阻抗控制的布線

2020-11-25 電子發燒友

3D列印PCB如何幫助阻抗控制的布線

發表於 2020-09-25 18:59:16

如果您是超高速PCB或高頻RF器件的設計師，那麼您將在PCB設計軟體中利用阻抗控制的路由功能。這些工具旨在確保傳輸線的阻抗在其長度上保持一致，從而允許在兩端進行端接以防止反射。一致的阻抗還可以確保沿著互連的一致的傳播延遲，從而允許並行高速PCB信號（例如PCIe中的信號）的長度精確匹配以防止歪斜。

由於阻抗控制的布線需要精確製造PCB互連件，因此製造商已花費大量精力完善蝕刻工藝，以確保跡線幾何形狀與PCB設計軟體中使用的標準幾何形狀匹配。使用3D列印來製造PCB，可使設計人員超越通常在PCB設計工具中強制執行的標準走線幾何形狀，同時仍可確保精確的阻抗控制。與標準的平面製造工藝相比，這為設計師提供了更多的選擇來進行阻抗控制的布線和設計互連。

什麼是阻抗控制路由？

在所有需要精確設計和製造規格的電子設備中，某些高速和高頻PCB可能會對阻抗變化敏感。EDA工具現在提供阻抗控制的布線功能，其中互連的阻抗可以通過多種可能的方法來計算。許多標準的布線工具中都實現了諸如電磁場求解器之類的工具，使設計人員能夠計算出整個互連中的精確阻抗和傳播延遲。

在這種設計方法中，設計互連的幾何形狀及其相對於參考平面的位置，以使互連的阻抗取特定值。在PCB上設計走線時，走線與其參考平面之間的距離通常由芯層或疊層的厚度固定。這在平面PCB基板上進行阻抗控制的布線期間，將設計人員限制在特定的走線寬度和厚度。

由於阻抗控制在很大程度上取決於精確的導體幾何形狀，因此必須精確地控制製造過程，以確保所製造的走線與設計數據相匹配。在平面PCB工藝中，針對各種互連體系結構，很大程度上解決了在平面基板上進行精確製造的挑戰。但是，這嚴重限制了設計者創建具有獨特幾何形狀的阻抗控制互連的自由。

相反，噴墨3D列印系統提供的逐層沉積工藝消除了傳統的DFM約束，並允許設計人員實現幾乎任何阻抗控制的互連體系結構。

無需標準通孔的獨特3D列印互連

在多層PCB中，對通孔的阻抗進行建模和設計具有精確阻抗的通孔方面進行了許多研究工作。過孔可能會導致阻抗不連續，從而導致沿互連的反射。通孔基本上是電感器，因此它們還會在互連線上產生電感性串擾。儘管通孔對於多層板中各層之間的布線至關重要，但通孔的兩個特性都可能導致信號完整性問題。在許多密集布線的PCB中，或使用引腳數/球數高的組件時，通孔通常是不可避免的。

因此，許多PCB設計指南都建議儘量減少或消除在高速和高頻互連上使用過孔的情況。在mmWave PCB中或邊沿速率非常快的情況下，某些標準的通孔幾何形狀（例如電鍍通孔）會在互連中產生一些插入損耗。這降低了沿互連線的信號電平，並導致向源的輕微反射，從而降低了在接收器處看到的信號電平。在低電平數字組件中，這可能會導致信號降低到低於鎖存為ON狀態所需的電平。類似地，在模擬組件中，這會降低互連的SNR。

如果可以在阻抗控制的布線過程中避免使用過孔，則可以避免這些信號完整性問題。當您在PCB中使用3D列印的互連時，您可以設計一種獨特的互連幾何形狀，不需要用於層轉換的通孔。這是兩個不需要互連層過渡的示例互連結構。

示例：同軸互連

一個很好的例子是同軸結構。這種結構是自然屏蔽的，因此可以將內部信號線與EMI外部源隔離開來。此體系結構不需要典型的過孔樣式，從而消除了層轉換期間的潛在插入損耗。

這種類型的互連體系結構提供了獨特級別的物理層安全性，通常可以通過平面PCB中的帶狀線布線來提供這種安全性。然而，逐層印刷工藝允許沉積這些結構而不受平面PCB製造工藝中標準蝕刻和壓制步驟的約束。

示例：集成電路式互連架構

另一個例子是使用集成電路式互連結構，並使用VeCS（垂直導電結構）進行層轉換，因為這些結構的寄生電感要低得多。

3D列印PCB的其他優點

3D列印的使用提供了阻抗控制布線以外的其他製造優勢。因為3D列印涉及的製造時間不取決於設備的複雜性，所以列印時間是高度可預測的，並且功能齊全的電路板可以在數小時內完成列印。這同樣適用於列印成本，這是獨立於主板的複雜性。這使得針對任何應用的高混合量，小批量複雜PCB的製造規模更容易縮放。

隨著越來越多的材料適用於不同的印刷系統和工藝，設計人員將擁有更大的自由度，可以使其產品適應高度專業化的應用。噴墨3D列印系統目前可以從納米粒子油墨中共沉積導電跡線和基材，並且標準組件已經可以嵌入3D列印的PCB中。更大範圍的絕緣和半導電聚合物將使更廣泛的設備直接在高度複雜的PCB上進行3D列印。

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