PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

 1、電阻

　　
　　交流電流流過一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，所受到的阻力稱為阻抗 （Impedance），符合為Z，單位還是Ω。
　　
　　此時(shí)的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別，除了電阻 的阻力以外，還有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力問題。
　　
　　為區(qū)別直流電的電阻，將交流電所遇到之阻力稱為阻抗 （Z）。
　　
　　Z=√ R2 +（XL -XC）2
　　
　　2、阻抗（Z）
　　
　　近年來，IC集成度的提高和應(yīng)用，其信號(hào)傳輸頻率和速 度越來越高，因而在印制板導(dǎo)線中，信號(hào)傳輸（發(fā)射）高到 某一定值后，便會(huì)受到印制板導(dǎo)線本身的影響，從而導(dǎo)致傳 輸信號(hào)的嚴(yán)重失真或完全喪失。這表明，PCB導(dǎo)線所“流通”的“東西”并不是電流，而是 方波訊號(hào)或脈沖在能量上的傳輸。
　　
　　3、特性阻抗控制（Z0 ）
　　
　　上述此種“訊號(hào)”傳輸時(shí)所受到的阻力，另稱為“特性阻 抗”，代表符號(hào)為Z0。
　　
　　所以，PCB導(dǎo)線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問題還 不夠，還要控制導(dǎo)線的特性阻抗問題。就是說，高速傳輸、高頻訊號(hào)傳輸?shù)膫鬏斁€，在質(zhì)量上 要比傳輸導(dǎo)線嚴(yán)格得多。不再是“開路/短路”測(cè)試過關(guān)，或者 缺口、毛刺未超過線寬的20%，就能接收。必須要求測(cè)定特性阻抗值，這個(gè)阻抗也要控制在公差以 內(nèi)，否則，只有報(bào)廢，不得返工。
　　
　　二、訊號(hào)傳播與傳輸線
　　
　　1、信號(hào)傳輸線定義
　　
　　（1）根據(jù)電磁波的原理，波長（λ）越短，頻率（f）越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s
　　
　?。?）任何元器件，盡管具有很高的信號(hào)傳輸頻率，但經(jīng) 過PCB導(dǎo)線傳輸后，原來很高的傳輸頻率將降下來，或時(shí)間 延遲了。
　　
　　因此，導(dǎo)線長度越短越好。
　　
　?。?）提高PCB布線密度或縮短導(dǎo)線尺寸是有利的。但是，隨著元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短，導(dǎo)線 長度接近信號(hào)波長（速度）的某一范圍，此時(shí)元件在PCB導(dǎo) 線傳輸時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)明顯的“失真”。
　　
　?。?）IPC－2141的3.4.4提出：當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，如果導(dǎo)線長度接近信號(hào)波長 的1/7時(shí)，此時(shí)的導(dǎo)線被視為信號(hào)傳輸線。
　　
　?。?）舉例：
　　
　　某元件信號(hào)傳輸頻率（f）為10MHZ ，PCB上導(dǎo)線長度為50cm，是否應(yīng)考慮特 性阻抗控制？
　　
　　解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s
　　
　　λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm
　　
　　導(dǎo)線長度/信號(hào)波長＝50/3000＝1/60
　　
　　因?yàn)椋?/60《1/7，所以此導(dǎo)線為普通導(dǎo)線，不必考慮特性阻抗問題。
　　
　　在電磁波理論中，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信 號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度VS 與光速C成正比，而與傳輸介質(zhì)的 介電常數(shù)成反比。
　　
　　VS ＝C/√εr
　　
　　當(dāng)εr ＝1時(shí)，信號(hào)傳輸達(dá)到了光的傳播速度，即3 ×1010 cm/s 。
　　
　　2、傳輸速率與介電常數(shù)
　　
　　不同板材在30MHZ 下的信號(hào)傳輸速度
　　
　　介質(zhì)材料 Tg（ °C ） 介電常數(shù) 信號(hào)傳輸速度（m/?s）
　　
　　真空 / 1.0 300.00
　　
　　聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
　　
　　熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74
　　
　　氰酸酯樹脂 225 3.0 173.21

聚四氟乙烯樹脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25

　　
　　氰酸酯樹脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
　　
　　聚酰亞胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
　　
　　石英 / 3.9 151.98
　　
　　環(huán)氧樹脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
　　
　　鋁 / 9.0 100.00
　　
　　由上表可見，隨著介電常數(shù)（ εr ）的增加，信號(hào)在介 質(zhì)材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號(hào)傳輸速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，必須選用低的介電常數(shù)（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介電常數(shù)（εr ）小，傳輸速 度快。
　　
　　FR-4板材，是由環(huán)氧樹脂和E級(jí)玻璃布聯(lián)合組成，介電 常數(shù)（εr ）為4.7。信號(hào)傳輸速度為138m/μs。改變樹脂體系，可較易改變介電常數(shù)（εr ）。
　　
　　三、特性阻抗值控制緣由
　　
　　1、緣由一
　　
　　電子設(shè)備（電腦、通信機(jī)）操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件（Driver） 所發(fā)出的信號(hào)，將通過PCB傳輸線到達(dá)接收元件 （Receiver）。信號(hào)在印制板的信號(hào)線中傳輸時(shí)，其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配，信號(hào)中的“能量”才會(huì)得 到完整的傳輸。
　　
　　2、緣由二
　　
　　一旦出現(xiàn)印制板質(zhì)量不良，Z0 超出公差時(shí)，所傳的信號(hào) 會(huì)出現(xiàn)反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰減 （Attenuation）或延誤（Delay）等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)傳錯(cuò)信 號(hào)，死機(jī)。
　　
　　3、緣由三
　　
　　嚴(yán)格選擇板材和控制生產(chǎn)流程，多層板上的Z0 才能符合 客戶所要求的規(guī)格。元件的電子阻抗越高時(shí)，其傳輸速度才會(huì)越快，因而 PCB的Z0 也要隨之提高，方能達(dá)到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板，才算得上是高速或高頻訊號(hào)所要求的 合格品。
　　
　　四、特性阻抗ZO 與板材及制程關(guān)系
　　
　　微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗Z0計(jì)算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
　　
　　其中：εr －介電常數(shù) H－介質(zhì)厚度 W－導(dǎo)線寬度 T－導(dǎo)線厚度
　　
　　板材的 εr 越低，越容易提高PCB線路的Z0 值，而與高速 元件的輸出阻抗值匹配。
　　
　　1、 特性阻抗Z0與板材的εr成反比
　　
　　Z0 隨著介質(zhì)厚度的增加而增大。因此，對(duì)Z0 嚴(yán)格的高頻 線路來說，對(duì)覆銅板基材的介質(zhì)厚度的誤差，提出了嚴(yán)格的 要求。通常，介質(zhì)厚度變化不得超過10％。
　　
　　2、 介質(zhì)厚度對(duì)特性阻抗Z0的影響
　　
　　隨著走線密度的增加，介質(zhì)厚度的增加會(huì)引起電磁干擾 的增加。因此，高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線，隨 著導(dǎo)體布線密度的增加，應(yīng)減小介質(zhì)厚度，以消除或降低電 磁干擾所帶來的雜信或串?dāng)_問題、或大力降低εr ，選用低εr 基材。
　　
　　根據(jù)微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗Z0 計(jì)算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
　　
　　銅箔厚度（T）是影響Z0的一個(gè)重要因素，導(dǎo)線厚度越 大，其Z0越小。但其變化范圍相對(duì)較小。
　　
　　3、 銅箔厚度對(duì)特性阻抗Z0的影響
　　
　　越薄的銅箔厚度，可得到較高的Z0 值，但其厚度變化對(duì) Z0 貢獻(xiàn)不大。
　　
　　采用薄銅箔對(duì)Z0 的貢獻(xiàn)，還不如說是由于薄銅箔對(duì)制造 精細(xì)導(dǎo)線，來提高或控制Z0 而作出貢獻(xiàn)更為確切。
　　
　　根據(jù)公式：
　　
　　Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
　　
　　線寬W越小，Z0越大；減少導(dǎo)線寬度可提高特性阻抗。線寬變化比線厚變化對(duì)Z0的影響明顯得多。

　　
　　4、 導(dǎo)線寬度對(duì)特性阻抗Z0的影響
　　
　　Z0 隨著線寬W變窄而迅速增加，因此，要控制Z0 ，必須嚴(yán) 格控制線寬。目前，大多數(shù)高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線寬 W為0.10或0.13mm。傳統(tǒng)上，線寬控制偏差為±20％。對(duì)非傳輸線的常規(guī)電 子產(chǎn)品的PCB導(dǎo)線（導(dǎo)線長 《 信號(hào)波長的1/7）可滿足要 求，但對(duì)有Z0 控制的信號(hào)傳輸線，PCB導(dǎo)線寬度偏差±20％， 已不能滿足要求。因?yàn)?，此時(shí)的Z0 誤差已超過±10%。
　　
　　舉例如下：
　　
　　某PCB微帶線寬度為100μm，線厚為20μm，介質(zhì)厚度為100μm，假設(shè)成品 PCB銅厚度均勻不變，問線寬變化±20%，Z0 能否符合±10%以內(nèi)？
　　
　　解：根據(jù)公式
　　
　　Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
　　
　　代入：線寬W0 ＝ 100μm， W1 ＝ 80μm， W2 ＝ 120μm，線厚T＝20μm，介 質(zhì)厚度H＝100μm，則：Z01 /Z02 =1.20
　　
　　所以，Z0 剛好±10%，不能達(dá)到《±10%。
　　
　　要達(dá)到特性阻抗Z0 《±10%，導(dǎo)線寬偏差必須進(jìn)一步縮小， 必須遠(yuǎn)小于±20%才行。
　　
　　同理，要控制Z0 ≤5％，導(dǎo)線寬公差必須控制≤±10%。
　　
　　因此，我們就不難理解，為什么聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB，要求線寬±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藝控制
　　
　　1、 底片制作管理、檢查
　　
　　恒溫恒濕房（21±2°C，55 ± 5%），防塵；線寬工藝補(bǔ)償。
　　
　　2、 拼板設(shè)計(jì)
　　
　　拼板板邊不能太窄，鍍層均勻，電鍍加假陰極，分散電 流；
　　
　　設(shè)計(jì)拼板板邊測(cè)試Z0 的標(biāo)樣（coupon）。
　　
　　3、 蝕刻
　　
　　嚴(yán)格工藝參數(shù)，減少側(cè)蝕，進(jìn)行首檢；
　　
　　減少線邊殘銅、銅渣、銅碎；
　　
　　檢查線寬，控制在所要求的范圍內(nèi)（ ± 10% 或± 0.02mm）。
　　
　　4、 AOI檢查
　　
　　內(nèi)層板務(wù)必找出導(dǎo)線缺口、凸口，對(duì)2GHZ 高速訊號(hào)，即 使0.05mm的缺口，也必須報(bào)廢；控制內(nèi)層線寬和缺陷是關(guān)鍵。
　　
　　5、 層壓
　　
　　真空層壓機(jī)，降低壓力減少流膠，盡量保持較多的樹脂 量，因?yàn)闃渲绊?epsilon;r ，樹脂保存多些， εr會(huì)低些。控制層壓厚度公差。因?yàn)榘搴癫痪鶆颍捅砻鹘橘|(zhì)厚度 變化，會(huì)影響Z0 。
　　
　　6、 選好基材
　　
　　嚴(yán)格按客戶要求的板材型號(hào)下料。型號(hào)下錯(cuò)， εr不對(duì)，板厚錯(cuò)，制造PCB過程全對(duì)，同樣 報(bào)廢。因?yàn)閆0 受εr影響大。
　　
　　7、 阻焊
　　
　　板面的阻焊會(huì)使信號(hào)線的Z0 值降低1～3Ω，理論上說阻焊 厚度不宜太厚，事實(shí)上影響并不很大。銅導(dǎo)線表面所接觸的是空氣（ εr ＝1），所以測(cè)得Z0 值 較高。但在阻焊后測(cè)Z0 值會(huì)下降1～3Ω，原因是阻焊的εr 為 4.0，比空氣高出很多。
　　
　　8、 吸水率
　　
　　成品多層板要盡量避免吸水，因?yàn)樗?epsilon;r ＝75，對(duì)Z0 會(huì)帶 來很大的下降和不穩(wěn)的效果。
　　
　　六、小結(jié)
　　
　　多層板信號(hào)傳輸線的特性阻抗Z0 ，目前要求控制范圍通 常是：50Ω±10%，75Ω ±10%，或28Ω±10% 。

　控制住的變化范圍，必須考慮四大因素：

　　
　?。?）信號(hào)線寬W；
　　
　?。?）信號(hào)線厚T；
　　
　?。?）介質(zhì)層厚度H；
　　
　　（4）介電常數(shù)εr 。
　　
　　影響大的是介質(zhì)厚度，其次是介電常數(shù)，導(dǎo)線寬度， 小是導(dǎo)線厚度。在選定基材后，εr變化很小，H變化也小，T較易控制，而線寬W控制在±10%是困難的，且線寬問題又有導(dǎo)線上針孔、 缺口、凹陷等問題。從某種意義上說，控制Z0，有效重要的方法是控制調(diào)整線寬。