电路设计

为什么要控制控制 pcb 阻抗

2019-07-14 06:46发布

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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/?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 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。
转自： http://wenku.baidu.com/link?url=DMQ19npb2lluJRy_Q8l1Mc1HxuDmhDqe_iZPA2MqmGOl8ry9R4osGOAeC7cDAsp8vpEBi3Qo2sHECPcm0fR5HxkD9PnQMqGFWj3-_Oh6F6e

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