如何对PCB板进行特性阻抗控制设计

1、 如何对pcb板进行特性阻抗控制设计 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。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）22、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

2、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（）越短，频率（f）越 高。两者的乘积为光速。即c = .f 31010 cm/s（2）任何元器

3、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）ipc2141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 = .f 31010 cm/sc/f（3 1

4、010 cm/s）/（1 107 /s ）3000cm导线长度/信号波长50/30001/60因为：1/601/7，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/r当r 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/s）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

5、 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 1305 4.7 138.38铝 / 9.0 100.00由上表可见，随着介电常数（ r ）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（r ）材料；聚四氟乙烯（teflon）的介电常数（r ）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（r ）为4.7。信号传输速度为1

6、38m/s。改变树脂体系，可较易改变介电常数（r ）。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

7、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：r 介电常数 h介质厚度 w导线宽度 t导线厚度板材的 r 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r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

8、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r ，选用低r 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

9、 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

10、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100m，线厚为20m，介质厚度为100m，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 100m， w1 80m， w2 120m，线厚t20m，介 质厚度h100m，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1

11、0%。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（212c，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

12、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r ，树脂保存多些， r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， r不对，板厚错，制造pcb过程全对，同样 报废。因为z0 受r影响大。7、 阻焊板面的阻焊会使信号线的z0 值降低13，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（ r 1），所以测得z0 值 较高。但在阻焊后测z0 值会下降13，原因是阻焊的r 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r 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：5010%，75 10%，或2810% 。控