di Albert Schweitzer, Fineline Italy Srl
Qualsiasi progettista che si occupi di impedenza e controllo dell’impedenza nella progettazione dei PCB deve conoscere i parametri che la influenzano. Oggi andremo a esaminarli nel dettaglio. È altrettanto importante sapere quali di questi parametri il progettista può modificare per ottenere una trasmissione del segnale priva di interferenze e garantire così il corretto funzionamento del proprio progetto.
Questo articolo non si concentra sul calcolo specifico dell’impedenza, ma mira a fornire approfondimenti sugli aspetti tecnici e sulle relazioni che un progettista dovrebbe considerare nella progettazione di linee a impedenza controllata.
Ad esempio, per ottenere un’impedenza sbilanciata di 50 ohm, un progettista deve considerare e calcolare i parametri della traccia come mostrato nella Figura 1.
L’impedenza sbilanciata nei PCB rappresenta ancora la stragrande maggioranza dei PCB a impedenza controllata oggi. In questo caso, una traccia (o due, nel caso di stripline doppia) corre tra uno o due piani di riferimento. Con l’introduzione di tecnologie sempre più veloci e potenti, le configurazioni miste con linee differenziali stanno diventando sempre più importanti.
Per garantire che un circuito elettronico mantenga valori di impedenza calcolati costantemente lungo l’intero percorso del segnale, non sono sufficienti solo i calcoli teorici del progettista, ma anche la selezione dei materiali adeguati e, soprattutto, il giusto produttore di PCB. Ogni produttore ha i propri metodi, spesso ben custoditi, per ottenere i valori di impedenza controllata desiderati.
I 6 Parametri più importanti che determinano l’Impedenza nei PCB
Questa tabella riassume i principali parametri che influenzano l’impedenza e il loro effetto sulle caratteristiche del segnale. Analizziamoli nel dettaglio.
Tabella 1: Parametri del PCB che influenzano l’impedenza
Nella prima colonna sono elencati i parametri. La seconda colonna mostra l’effetto sull’impedenza quando il parametro associato, come la larghezza della traccia, viene aumentato. La terza colonna caratterizza se il comportamento è proporzionale o inversamente proporzionale. La quarta colonna indica l’importanza di ciascun parametro nel calcolo dell’impedenza. I primi tre parametri sono particolarmente importanti, ma non bisogna trascurare gli ultimi tre.
Dipendenza dell’Impedenza dalla Larghezza della Traccia e dallo Spessore del Sottostrato
Il calcolo dell’impedenza di una linea microstrip è basato sulla seguente formula:
Formula 1: Impedenza di una linea Microstrip
Per rappresentare graficamente la dipendenza di Z, due parametri devono essere fissati, ad esempio T ed ε, e Z deve essere considerata come funzione di W e H. La seguente rappresentazione grafica si ottiene per i valori di ε = 4.0 e T = 35µm.
Figura 2: Dipendenza dell’Impedenza dalla Larghezza della Traccia e dallo Spessore del Sottostrato
Si osserva una superficie leggermente curva nello spazio. Questa leggera curvatura consente un trattamento lineare delle dipendenze per determinare l’influenza relativa delle fluttuazioni dei parametri su Z.
Larghezza della Traccia
Per il progettista, questo è il parametro più importante che determina l’impedenza, in quanto può influenzarlo direttamente nel design. Come mostrato nella tabella, una traccia più larga riduce l’impedenza in modo inversamente proporzionale e viceversa. Perché?
Una traccia più larga aumenta la capacità, poiché l’area che agisce come condensatore tra la traccia e il piano di riferimento diventa più grande. Una capacità maggiore porta a una minore impedenza. Da notare che un aumento della capacità può anche causare ritardi nel segnale, poiché il segnale richiede più energia per costruire il campo elettrico.
Distanza dalla Traccia al Piano di Riferimento
Questo parametro è cruciale per raggiungere l’impedenza target. Il progettista definisce la distanza desiderata, ad esempio specificando quali prepreg utilizzare. Tuttavia, la precisione di questa specifica dipende dal know-how del produttore di PCB.
Dalla tabella, possiamo vedere che se aumentiamo la distanza tra il segnale e il piano di riferimento, l’impedenza aumenta proporzionalmente. Ciò accade perché una distanza minore porta a una capacità più alta, che riduce l’impedenza.
Per ridurre l’impedenza, il progettista può infatti decidere di diminuire la distanza tra la traccia e il piano di riferimento, scegliendo materiali con spessori inferiori o aumentando il numero di strati di rame nel PCB.
Costante Dielettrica del Materiale Utilizzato
Anche questo parametro è molto importante. Il progettista può influenzarlo solo indirettamente selezionando il materiale, ma le tolleranze dipendono dal produttore del materiale base. Dalla tabella, possiamo vedere che all’aumentare della costante dielettrica, l’impedenza aumenta proporzionalmente.
Spessore del Rame
Molti trascurano che lo spessore del rame si riferisce allo spessore effettivo dello strato. Nel processo di produzione, gli strati interni subiscono una riduzione di spessore a causa dell’etching, mentre gli strati esterni diventano più spessi a causa dei processi galvanici.
Lo spessore del rame influisce direttamente sull’impedenza: uno strato di rame più spesso porta a un’impedenza inferiore (inversamente proporzionale). Il produttore di PCB è responsabile di questo aspetto, ma una conoscenza del processo è utile per il progettista.
Influenza della Solder Mask sull’Impedenza
La solder mask influenza l’impedenza attraverso le sue proprietà dielettriche e il suo effetto sul campo elettromagnetico attorno alla traccia. Modifica la costante dielettrica effettiva εeff combinando aria e solder mask, influenzando così la qualità del segnale, specialmente alle alte frequenze.
Influenza dell’Angolo del Bordo della Traccia
L’angolo del bordo dipende dal processo di incisione. Idealmente, le tracce dovrebbero essere rettangolari, ma in realtà sono spesso trapezoidali. Un angolo più ripido riduce l’impedenza, poiché aumenta la larghezza effettiva della traccia.
Figura 3: Angolo del bordo della traccia dopo il processo di incisione
Conclusione
Il controllo dell’impedenza delle tracce è un compito congiunto tra progettista e produttore di PCB. Il progettista può influenzare direttamente l’impedenza scegliendo larghezze delle tracce, distanze e routing. I produttori garantiscono la realizzazione dei valori pianificati mediante materiali e controlli di processo rigorosi.
Lavorare a stretto contatto con il produttore del PCB già nelle fasi iniziali del design permette di minimizzare le variazioni di impedenza e ottimizzare le prestazioni finali del circuito.
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