如果您是超高速PCB或高頻RF器件的設(shè)計(jì)師，那么您將在PCB設(shè)計(jì)軟件中利用阻抗控制的路由功能。這些工具旨在確保傳輸線(xiàn)的阻抗在其長(zhǎng)度上保持一致，從而允許在兩端進(jìn)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，從而允許并行高速PCB信號(hào)（例如PCIe中的信號(hào)）的長(zhǎng)度精確匹配以防止歪斜。

由于阻抗控制的布線(xiàn)需要精確制造PCB互連件，因此制造商已花費(fèi)大量精力完善蝕刻工藝，以確保跡線(xiàn)幾何形狀與PCB設(shè)計(jì)軟件中使用的標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀匹配。使用3D打印來(lái)制造PCB，可使設(shè)計(jì)人員超越通常在PCB設(shè)計(jì)工具中強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)走線(xiàn)幾何形狀，同時(shí)仍可確保精確的阻抗控制。與標(biāo)準(zhǔn)的平面制造工藝相比，這為設(shè)計(jì)師提供了更多的選擇來(lái)進(jìn)行阻抗控制的布線(xiàn)和設(shè)計(jì)互連。

什么是阻抗控制路由？

在所有需要精確設(shè)計(jì)和制造規(guī)格的電子設(shè)備中，某些高速和高頻PCB可能會(huì)對(duì)阻抗變化敏感。EDA工具現(xiàn)在提供阻抗控制的布線(xiàn)功能，其中互連的阻抗可以通過(guò)多種可能的方法來(lái)計(jì)算。許多標(biāo)準(zhǔn)的布線(xiàn)工具中都實(shí)現(xiàn)了諸如電磁場(chǎng)求解器之類(lèi)的工具，使設(shè)計(jì)人員能夠計(jì)算出整個(gè)互連中的精確阻抗和傳播延遲。

在這種設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)互連的幾何形狀及其相對(duì)于參考平面的位置，以使互連的阻抗取特定值。在PCB上設(shè)計(jì)走線(xiàn)時(shí)，走線(xiàn)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(jìn)行阻抗控制的布線(xiàn)期間，將設(shè)計(jì)人員限制在特定的走線(xiàn)寬度和厚度。

由于阻抗控制在很大程度上取決于精確的導(dǎo)體幾何形狀，因此必須精確地控制制造過(guò)程，以確保所制造的走線(xiàn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相匹配。在平面PCB工藝中，針對(duì)各種互連體系結(jié)構(gòu)，很大程度上解決了在平面基板上進(jìn)行精確制造的挑戰(zhàn)。但是，這嚴(yán)重限制了設(shè)計(jì)者創(chuàng)建具有獨(dú)特幾何形狀的阻抗控制互連的自由。

相反，噴墨3D打印系統(tǒng)提供的逐層沉積工藝消除了傳統(tǒng)的DFM約束，并允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)幾乎任何阻抗控制的互連體系結(jié)構(gòu)。

無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)通孔的獨(dú)特3D打印互連

在多層PCB中，對(duì)通孔的阻抗進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)具有精確阻抗的通孔方面進(jìn)行了許多研究工作。過(guò)孔可能會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，從而導(dǎo)致沿互連的反射。通孔基本上是電感器，因此它們還會(huì)在互連線(xiàn)上產(chǎn)生電感性串?dāng)_。盡管通孔對(duì)于多層板中各層之間的布線(xiàn)至關(guān)重要，但通孔的兩個(gè)特性都可能導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題。在許多密集布線(xiàn)的PCB中，或使用引腳數(shù)/球數(shù)高的組件時(shí)，通孔通常是不可避免的。

因此，許多PCB設(shè)計(jì)指南都建議盡量減少或消除在高速和高頻互連上使用過(guò)孔的情況。在mmWave PCB中或邊沿速率非?？斓那闆r下，某些標(biāo)準(zhǔn)的通孔幾何形狀（例如電鍍通孔）會(huì)在互連中產(chǎn)生一些插入損耗。這降低了沿互連線(xiàn)的信號(hào)電平，并導(dǎo)致向源的輕微反射，從而降低了在接收器處看到的信號(hào)電平。在低電平數(shù)字組件中，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)降低到低于鎖存為ON狀態(tài)所需的電平。類(lèi)似地，在模擬組件中，這會(huì)降低互連的SNR。

如果可以在阻抗控制的布線(xiàn)過(guò)程中避免使用過(guò)孔，則可以避免這些信號(hào)完整性問(wèn)題。當(dāng)您在PCB中使用3D打印的互連時(shí)，您可以設(shè)計(jì)一種獨(dú)特的互連幾何形狀，不需要用于層轉(zhuǎn)換的通孔。這是兩個(gè)不需要互連層過(guò)渡的示例互連結(jié)構(gòu)。

示例：同軸互連

一個(gè)很好的例子是同軸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是自然屏蔽的，因此可以將內(nèi)部信號(hào)線(xiàn)與EMI外部源隔離開(kāi)來(lái)。此體系結(jié)構(gòu)不需要典型的過(guò)孔樣式，從而消除了層轉(zhuǎn)換期間的潛在插入損耗。

這種類(lèi)型的互連體系結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特級(jí)別的物理層安全性，通?？梢酝ㄟ^(guò)平面PCB中的帶狀線(xiàn)布線(xiàn)來(lái)提供這種安全性。然而，逐層印刷工藝允許沉積這些結(jié)構(gòu)而不受平面PCB制造工藝中標(biāo)準(zhǔn)蝕刻和壓制步驟的約束。

示例：集成電路式互連架構(gòu)

另一個(gè)例子是使用集成電路式互連結(jié)構(gòu)，并使用VeCS（垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)）進(jìn)行層轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的寄生電感要低得多。

3D打印PCB的其他優(yōu)點(diǎn)

3D打印的使用提供了阻抗控制布線(xiàn)以外的其他制造優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?/span>3D打印涉及的制造時(shí)間不取決于設(shè)備的復(fù)雜性，所以打印時(shí)間是高度可預(yù)測(cè)的，并且功能齊全的電路板可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成打印。這同樣適用于打印成本，這是獨(dú)立于主板的復(fù)雜性。這使得針對(duì)任何應(yīng)用的高混合量，小批量復(fù)雜PCB的制造規(guī)模更容易縮放。

隨著越來(lái)越多的材料適用于不同的印刷系統(tǒng)和工藝，設(shè)計(jì)人員將擁有更大的自由度，可以使其產(chǎn)品適應(yīng)高度專(zhuān)業(yè)化的應(yīng)用。噴墨3D打印系統(tǒng)目前可以從納米粒子油墨中共沉積導(dǎo)電跡線(xiàn)和基材，并且標(biāo)準(zhǔn)組件已經(jīng)可以嵌入3D打印的PCB中。更大范圍的絕緣和半導(dǎo)電聚合物將使更廣泛的設(shè)備直接在高度復(fù)雜的PCB上進(jìn)行3D打印。