印刷电路板(PCB)的特性阻抗与特性阻抗控制

1、印刷电路板（PCB）的特性阻抗与特性阻抗控制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

2、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（）越短，频率（f）越 高。两者的乘积为光速。即C = .f 3×1010 cm

3、/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）IPC2141的提出：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 3×1010 c

4、m/sC/f（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）3000cm导线长度/信号波长50/30001/60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 / 1.0 300.0

5、0 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（ 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

6、（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

7、 （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：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

8、。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

9、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。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

10、，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 ，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：50±10%，75 ±10%，或28±10% 。控制住的变化范围，必须考虑四大