淺析線路板的加工對電路性能的影響

即使最詳盡周密的計劃可能有時也會出錯，在高頻電路設計中同樣也是如此，它的性能會受到電路加工過程的正常容差變化影響。雖然，基于電磁（EM）仿真的現(xiàn)代計算機輔助（CAE）軟件設計工具，能夠很好地仿真預測不同模型下的電路性能，但是，即使是最好的仿真軟件也無法預測一些常規(guī)電路加工工藝變化帶來的影響。尤其是鍍銅厚度的偏差和帶來的導體形狀改變，以及由此產(chǎn)生的邊緣耦合電路性能的改變。

通常印刷電路板（PCB）的電鍍銅厚度都有一定的變化。但由于制造工藝等原因，同一塊材料上的電鍍銅厚度，以及不同材料之間的電鍍銅厚度都會存在或多或少的誤差。這些電鍍銅厚度的變化，足以影響電路材料上某個小的區(qū)域內(nèi)的單個電路的性能，以致影響多個不同PCB板上相同電路的一致性。電鍍通孔（PTH）通常在介質材料的厚度方向（z軸）實現(xiàn)PCB面板一側和另一側的導電連通，或多層板電路中的導體層之間的連接。

在過孔的側壁通過鍍銅來提高其導電性能。然而，PTH鍍銅工藝既不常規(guī)也不簡單，不同的工藝過程可能會得到鍍銅層的厚度差異。PTH通孔鍍銅的方式是通常采用電解鍍銅方式，即在PCB材料的銅箔上面再增加一層電鍍銅實現(xiàn)通孔的電氣連接。

這無形中增加了層壓板的銅箔厚度，整個材料板上引入了銅箔厚度的變化。單個板內(nèi)的銅箔厚度變化，會造成同一張板內(nèi)銅箔厚度的不同。類似的，不同板之間銅箔厚度的不均勻，也會降低批量間同一電路的可重復性。由于頻率較高時信號的波長會減小，因此鍍銅厚度的變化，對毫米波電路的影響要大于低頻電路的影響。但并非所有類型的傳輸線受到的影響都是一樣的，例如，RF/微波微帶傳輸線的幅度和相位性能，受PCB鍍銅厚度的影響就很小。但是，包括接地共面波導（GCPW）傳輸線以及具有邊緣耦合特性的微帶傳輸線電路，就會因為鍍銅層厚度的過度變化，導致其RF性能發(fā)生顯著改變。

除非每一處變化都考慮進去，否則即使是用最好的電磁仿真軟件工具，也無法正確預測PCB鍍銅厚度對RF性能（例如，插入損耗和回波損耗）的影響。邊緣耦合電路通過耦合導體間非常窄的間隙實現(xiàn)不同程度的耦合。由于間隙的微觀尺寸，耦合側壁之間的間隙寬度會因為鍍銅厚度而發(fā)生改變。松耦合的電路（間隙較大）受到鍍銅厚度變化的影響較小。

隨著耦合線之間的間隙變窄，耦合度增強，尺寸公差對鍍銅厚度變化的影響增大。具有較厚銅層的邊緣耦合電路，其電路傳輸線的側壁也會較高。側壁高度的不同也會導致耦合系數(shù)的不同，以及具有不同鍍銅厚度的電路得到的有效介電常數(shù)（Dk）也會不同。

梯形效應鍍銅厚度的變化也會影響高頻電路導體的物理形態(tài)。出于建模目的，通常假定導體為矩形，從橫截面圖看，導體的寬度沿導體的長度方向都保持一致。但是，這是理想的情況。實際的導體通常呈梯形形狀，在導體的底部即導體與電路介質基板的交界處具有最大的尺寸。對于銅較厚的電路，梯形形狀變得更加嚴重。導體尺寸的變化會導致通過導體的電流密度發(fā)生變化，從而導致高頻電路的性能發(fā)生變化。這種變化對電路性能的影響，因不同電路設計和傳輸線技術而不同。標準微帶傳輸線電路的電性能幾乎不會由于導體的梯形效應而發(fā)生很大變化，但具有邊緣耦合特性的電路會因梯形導體的而產(chǎn)生顯著影響，特別是在較厚的銅層中，這種影響變得更加明顯。對于具有緊耦合特征的邊緣耦合電路，基于理想矩形導體的計算機建模顯示在耦合導體的側壁上具有較高的電流密度。

但是，如果將導體模型更改為梯形導體，則會顯示在導體底部出現(xiàn)更大的電流密度，并且電流密度會隨導體厚度的增加而增加。隨著電流密度的變化，梯形導體的電場強度也會發(fā)生相應變化。對于矩形邊緣耦合導體，沿其耦合側壁的電流密度高，并且導體周圍的電場有很大一部分在導體間的空氣中。對于具有梯形形狀的邊緣耦合導體，其側壁上的電流密度較低，耦合導體之間的空氣所占的電場較少。空氣的Dk是1，具有更多電場在導體間空氣中的矩形導體的邊緣耦合電路，將導致有效Dk低于具有梯形導體的電路的有效Dk，其在導體周圍和介質材料中具有更多的電場。

由于標準電路制造工藝的原因，PCB上的銅鍍層厚度可能會在單個電路板內(nèi)發(fā)生變化，這些銅厚變化的電路性能也會根據(jù)電路拓撲結構和頻率發(fā)生變化。在毫米波頻率下電路的尺寸/波長較小，厚度變化帶來的影響顯著。因此，使用電路仿真軟件仿真給定電路材料的性能時，不僅要嚴格控制Dk性能，更要事先分析和考慮這些加工工藝帶來的變化和影響。

編輯：何安