3D打印PCB如何帮助阻抗控制的布线

如果您是超高速PCB或高频RF器件的设计师，那么您将在PCB设计软件中利用阻抗控制的路由功能。这些工具旨在确保传输线的阻抗在其长度上保持一致，从而允许在两端进行端接以防止反射。一致的阻抗还可以确保沿着互连的一致的传播延迟，从而允许并行高速PCB信号（例如PCIe中的信号）的长度精确匹配以防止歪斜。

由于阻抗控制的布线需要精确制造PCB互连件，因此制造商已花费大量精力完善蚀刻工艺，以确保迹线几何形状与PCB设计软件中使用的标准几何形状匹配。使用3D打印来制造PCB，可使设计人员超越通常在PCB设计工具中强制执行的标准走线几何形状，同时仍可确保精确的阻抗控制。与标准的平面制造工艺相比，这为设计师提供了更多的选择来进行阻抗控制的布线和设计互连。

什么是阻抗控制路由？

在所有需要精确设计和制造规格的电子设备中，某些高速和高频PCB可能会对阻抗变化敏感。EDA工具现在提供阻抗控制的布线功能，其中互连的阻抗可以通过多种可能的方法来计算。许多标准的布线工具中都实现了诸如电磁场求解器之类的工具，使设计人员能够计算出整个互连中的精确阻抗和传播延迟。

在这种设计方法中，设计互连的几何形状及其相对于参考平面的位置，以使互连的阻抗取特定值。在PCB上设计走线时，走线与其参考平面之间的距离通常由芯层或叠层的厚度固定。这在平面PCB基板上进行阻抗控制的布线期间，将设计人员限制在特定的走线宽度和厚度。

由于阻抗控制在很大程度上取决于精确的导体几何形状，因此必须精确地控制制造过程，以确保所制造的走线与设计数据相匹配。在平面PCB工艺中，针对各种互连体系结构，很大程度上解决了在平面基板上进行精确制造的挑战。但是，这严重限制了设计者创建具有独特几何形状的阻抗控制互连的自由。

相反，喷墨3D打印系统提供的逐层沉积工艺消除了传统的DFM约束，并允许设计人员实现几乎任何阻抗控制的互连体系结构。

无需标准通孔的独特3D打印互连

在多层PCB中，对通孔的阻抗进行建模和设计具有精确阻抗的通孔方面进行了许多研究工作。过孔可能会导致阻抗不连续，从而导致沿互连的反射。通孔基本上是电感器，因此它们还会在互连线上产生电感性串扰。尽管通孔对于多层板中各层之间的布线至关重要，但通孔的两个特性都可能导致信号完整性问题。在许多密集布线的PCB中，或使用引脚数/球数高的组件时，通孔通常是不可避免的。

因此，许多PCB设计指南都建议尽量减少或消除在高速和高频互连上使用过孔的情况。在mmWave PCB中或边沿速率非常快的情况下，某些标准的通孔几何形状（例如电镀通孔）会在互连中产生一些插入损耗。这降低了沿互连线的信号电平，并导致向源的轻微反射，从而降低了在接收器处看到的信号电平。在低电平数字组件中，这可能会导致信号降低到低于锁存为ON状态所需的电平。类似地，在模拟组件中，这会降低互连的SNR。

如果可以在阻抗控制的布线过程中避免使用过孔，则可以避免这些信号完整性问题。当您在PCB中使用3D打印的互连时，您可以设计一种独特的互连几何形状，不需要用于层转换的通孔。这是两个不需要互连层过渡的示例互连结构。

示例：同轴互连

一个很好的例子是同轴结构。这种结构是自然屏蔽的，因此可以将内部信号线与EMI外部源隔离开来。此体系结构不需要典型的过孔样式，从而消除了层转换期间的潜在插入损耗。

这种类型的互连体系结构提供了独特级别的物理层安全性，通常可以通过平面PCB中的带状线布线来提供这种安全性。然而，逐层印刷工艺允许沉积这些结构而不受平面PCB制造工艺中标准蚀刻和压制步骤的约束。

示例：集成电路式互连架构

另一个例子是使用集成电路式互连结构，并使用VeCS（垂直导电结构）进行层转换，因为这些结构的寄生电感要低得多。

3D打印PCB的其他优点

3D打印的使用提供了阻抗控制布线以外的其他制造优势。因为3D打印涉及的制造时间不取决于设备的复杂性，所以打印时间是高度可预测的，并且功能齐全的电路板可以在数小时内完成打印。这同样适用于打印成本，这是独立于主板的复杂性。这使得针对任何应用的高混合量，小批量复杂PCB的制造规模更容易缩放。

随着越来越多的材料适用于不同的印刷系统和工艺，设计人员将拥有更大的自由度，可以使其产品适应高度专业化的应用。喷墨3D打印系统目前可以从纳米粒子油墨中共沉积导电迹线和基材，并且标准组件已经可以嵌入3D打印的PCB中。更大范围的绝缘和半导电聚合物将使更广泛的设备直接在高度复杂的PCB上进行3D打印。