PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制

1、PCB 板的特性阻抗与特性阻抗控制本文具体分析了 PCB 板的特性阻抗和特性阻抗的控制办法。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 -XC22、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。

2、 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

3、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 ” 。(4IPC-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

4、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/s=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/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

5、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 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

6、,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 138m/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

7、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 PCB 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 PCB 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 +1.4

8、1 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 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

9、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 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

10、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 100m,线厚为 20m,介质厚度为 100m,假设成品 PCB

11、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 T =20m, 介 质厚度 H =100m, 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

12、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

13、,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 PCB 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 PCB 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 r 。 影响最大的是介质厚度，其次是介电常数，导