PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制

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1、电阻
        　　交流电流流过一个导体时，所受到的阻力称为阻抗 （Impedance），符合为Z，单位还是Ω。
        　　此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别，除了电阻 的阻力以外，还有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力问题。
        　　为区别直流电的电阻，将交流电所遇到之阻力称为阻抗 （Z）。
        　　Z=√ R2 +（XL -XC）2
         
        2、阻抗（Z）
        近年来，IC集成度的提高和应用，其信号传输频率和速 度越来越高，因而在印制板导线中，信号传输（发射）高到 某一定值后，便会受到印制板导线本身的影响，从而导致传 输信号的严重失真或完全丧失。这表明，PCB导线所“流通”的“东西”并不是电流，而是 方波讯号或脉冲在能量上的传输。
         
        3、特性阻抗控制（Z0 ）
        上述此种“讯号”传输时所受到的阻力，另称为“特性阻 抗”，代表符号为Z0。
        　　
        所以，PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还 不够，还要控制导线的特性阻抗问题。就是说，高速传输、高频讯号传输的传输线，在质量上 要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关，或者 缺口、毛刺未超过线宽的20%，就能接收。必须要求测定特性阻抗值，这个阻抗也要控制在公差以 内，否则，只有报废，不得返工。
         
        二、讯号传播与传输线
         
        1、信号传输线定义
        （1）根据电磁波的原理，波长（λ）越短，频率（f）越 高。两者的乘积为光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s
         
        （2）任何元器件，尽管具有很高的信号传输频率，但经 过PCB导线传输后，原来很高的传输频率将降下来，或时间 延迟了。
         
        因此，导线长度越短越好。
        　　
        （3）提高PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是，随着元件频率的加快，或脉冲周期的缩短，导线 长度接近信号波长（速度）的某一范围，此时元件在PCB导 线传输时，便会出现明显的“失真”。
        　　
        （4）IPC－2141的3.4.4提出：当信号在导线中传输时，如果导线长度接近信号波长 的1/7时，此时的导线被视为信号传输线。
         
        　　
        （5）举例：
        　　
        某元件信号传输频率（f）为10MHZ ，PCB上导线长度为50cm，是否应考虑特 性阻抗控制？
        　　解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s
        　　λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm
        　　
        导线长度/信号波长＝50/3000＝1/60
         
        因为：1/60《1/7，所以此导线为普通导线，不必考虑特性阻抗问题。
        　　
        在电磁波理论中，马克斯威尔公式告诉我们：正弦波信 号在介质中的传播速度VS 与光速C成正比，而与传输介质的 介电常数成反比。
        　　
        VS ＝C/√εr
        　　
        当εr ＝1时，信号传输达到了光的传播速度，即3 ×1010 cm/s 。
         
        2、传输速率与介电常数
        　　
        不同板材在30MHZ 下的信号传输速度
        　　
        介质材料 Tg（ °C ） 介电常数 信号传输速度（m/μs）
        　　真空 / 1.0 300.00
        　　聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
        　　热固性聚丙醚 210 2.5 189.74
        　　氰酸酯树脂 225 3.0 173.21
        　　聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25
        　　氰酸酯树脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
        　　聚酰亚胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
        　　石英 / 3.9 151.98
        　　环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
        　　铝 / 9.0 100.00
         
        由上表可见，随着介电常数（ εr ）的增加，信号在介 质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，必须选用低的介电常数（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介电常数（εr ）最小，传输速 度最快。
         
        FR-4板材，是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成，介电 常数（εr ）为4.7。信号传输速度为138m/μs。改变树脂体系，可较易改变介电常数（εr ）。
         
        三、特性阻抗值控制缘由
        　　
        1、缘由一
        　　
        电子设备（电脑、通信机）操作时，驱动元件（Driver） 所发出的信号，将通过PCB传输线到达接收元件 （Receiver）。信号在印制板的信号线中传输时，其特性阻抗值Z0 必须 与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配，信号中的“能量”才会得 到完整的传输。
        　　
        2、缘由二
        　　
        一旦出现印制板质量不良，Z0 超出公差时，所传的信号 会出现反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰减 （Attenuation）或延误（Delay）等问题，严重时会传错信 号，死机。
         
        3、缘由三
         
        严格选择板材和控制生产流程，多层板上的Z0 才能符合 客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时，其传输速度才会越快，因而 PCB的Z0 也要随之提高，方能达到匹配元件的要求。Z0 合格的多层板，才算得上是高速或高频讯号所要求的 合格品。
         
        四、特性阻抗ZO 与板材及制程关系
        　　
        微带线结构的特性阻抗Z0计算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
        　　
        其中：εr －介电常数 H－介质厚度 W－导线宽度 T－导线厚度
        　　
        板材的 εr 越低，越容易提高PCB线路的Z0 值，而与高速 元件的输出阻抗值匹配。
         
        1、 特性阻抗Z0与板材的εr成反比
        Z0 随着介质厚度的增加而增大。因此，对Z0 严格的高频 线路来说，对覆铜板基材的介质厚度的误差，提出了严格的 要求。通常，介质厚度变化不得超过10％。
         
        2、 介质厚度对特性阻抗Z0的影响
        随着走线密度的增加，介质厚度的增加会引起电磁干扰 的增加。因此，高频线路和高速数字线路的信号传输线，随 着导体布线密度的增加，应减小介质厚度，以消除或降低电 磁干扰所带来的杂信或串扰问题、或大力降低εr ，选用低εr 基材。
         
        根据微带线结构的特性阻抗Z0 计算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
        　　
        铜箔厚度（T）是影响Z0的一个重要因素，导线厚度越 大，其Z0越小。但其变化范围相对较小。
         
        3、 铜箔厚度对特性阻抗Z0的影响
        越薄的铜箔厚度，可得到较高的Z0 值，但其厚度变化对 Z0 贡献不大。
        　　
        采用薄铜箔对Z0 的贡献，还不如说是由于薄铜箔对制造 精细导线，来提高或控制Z0 而作出贡献更为确切。
         
        根据公式：
        　　Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
        线宽W越小，Z0越大；减少导线宽度可提高特性阻抗。
         
        线宽变化比线厚变化对Z0的影响明显得多。
         
        4、 导线宽度对特性阻抗Z0的影响
        Z0 随着线宽W变窄而迅速增加，因此，要控制Z0 ，必须严 格控制线宽。目前，大多数高频线路和高速数字线路的信号传输线宽 W为0.10或0.13mm。传统上，线宽控制偏差为±20％。对非传输线的常规电 子产品的PCB导线（导线长 《 信号波长的1/7）可满足要 求，但对有Z0 控制的信号传输线，PCB导线宽度偏差±20％， 已不能满足要求。因为，此时的Z0 误差已超过±10%。
         
        举例如下：
        某PCB微带线宽度为100μm，线厚为20μm，介质厚度为100μm，假设成品 PCB铜厚度均匀不变，问线宽变化±20%，Z0 能否符合±10%以内？
         
        解：根据公式
        　　Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
        　　
        代入：线宽W0 ＝ 100μm， W1 ＝ 80μm， W2 ＝ 120μm，线厚T＝20μm，介 质厚度H＝100μm，则：Z01 /Z02 =1.20
        　　
        所以，Z0 刚好±10%，不能达到《±10%。
        　　
        要达到特性阻抗Z0 《±10%，导线宽偏差必须进一步缩小， 必须远小于±20%才行。
        　　
        同理，要控制Z0 ≤5％，导线宽公差必须控制≤±10%。
        　　
        因此，我们就不难理解，为什么聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB，要求线宽±0.02mm，其原因就是要控制特性阻抗 Z0值。
         
        五、特性阻抗控制印制板工艺控制
        　　
        1、 底片制作管理、检查
        　　
        恒温恒湿房（21±2°C，55 ± 5%），防尘；线宽工艺补偿。
         
        2、 拼板设计
        拼板板边不能太窄，镀层均匀，电镀加假阴极，分散电 流；
         
        设计拼板板边测试Z0 的标样（coupon）。
         
        3、 蚀刻
        严格工艺参数，减少侧蚀，进行首检；
        　　
        减少线边残铜、铜渣、铜碎；
        　　
        检查线宽，控制在所要求的范围内（ ± 10% 或± 0.02mm）。
         
        4、 AOI检查
        内层板务必找出导线缺口、凸口，对2GHZ 高速讯号，即 使0.05mm的缺口，也必须报废；控制内层线宽和缺陷是关键。
         
        5、 层压
        真空层压机，降低压力减少流胶，尽量保持较多的树脂 量，因为树脂影响εr ，树脂保存多些， εr会低些。控制层压厚度公差。因为板厚不均匀，就表明介质厚度 变化，会影响Z0 。
         
        6、 选好基材
        严格按客户要求的板材型号下料。型号下错， εr不对，板厚错，制造PCB过程全对，同样 报废。因为Z0 受εr影响大。
         
        7、 阻焊
        板面的阻焊会使信号线的Z0 值降低1～3Ω，理论上说阻焊 厚度不宜太厚，事实上影响并不很大。铜导线表面所接触的是空气（ εr ＝1），所以测得Z0 值 较高。但在阻焊后测Z0 值会下降1～3Ω，原因是阻焊的εr 为 4.0，比空气高出很多。
         
        8、 吸水率
        成品多层板要尽量避免吸水，因为水的εr ＝75，对Z0 会带 来很大的下降和不稳的效果。
         
        六、小结
        多层板信号传输线的特性阻抗Z0 ，目前要求控制范围通 常是：50Ω±10%，75Ω ±10%，或28Ω±10% 。
         
        控制住的变化范围，必须考虑四大因素：
        　　（1）信号线宽W；
        　　（2）信号线厚T；
        　　（3）介质层厚度H；
        　　（4）介电常数εr 。
         
        影响最大的是介质厚度，其次是介电常数，导线宽度， 最小是导线厚度。在选定基材后，εr变化很小，H变化也小，T较易控制，而线宽W控制在±10%是困难的，且线宽问题又有导线上针孔、 缺口、凹陷等问题。从某种意义上说，控制Z0，最有效最重要的方法是控制调整线宽。