pcb板的特性阻抗与特性阻抗控制

1、（Impedance）,符合为 Z,单位还是 0。的阻力以外，还有感抗（XL）和容抗（XQ的（Z）。Z= V R2 + （XL -XC） 2 2、阻抗（Z）度越来越高，因而在印制板导线中，信号传输输信号的严重失真或完全丧失。这表明，Z0 ）上述此种“讯号”传输时所受到的阻力，不够，还要控制导线的特性阻抗问题。就PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制摘要：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，此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别，除了电阻阻力问题。为区别直流电的电阻，将交流电所遇到之阻力称为阻抗近年来，IC集成度的提高和应用，其

2、信号传输频率和速（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（另称为“特性阻抗”，代表符号为Z0o所以，PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还 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（ 入）越短，频率（f ）越高。两者的乘积为

3、光速。即 C =入.f= 3X1010 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PCBf?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#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

4、阻抗控 制？ 解：C =入.f= 3X1010 cm/s 入=。= (3 x 1010 cm/s) / (1 X107 /s ) = 3000cm导线长度/信号波长=50/3000 = 1/60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/，er当er =1时，信号传输达到了光的传播速度，即 3 X1010 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

5、空/ 1.0 300.00 聚四氟乙烯/ 2.2202.26热固性聚丙醛 210 2.5 189.74氟酸酯树脂225 3.0 173.21聚四氟乙烯树脂+ E玻璃布/ 2.6186.25氟酸酯树脂+玻璃布225 3.7 155.96聚酰亚胺+玻璃布 230 4.5 141.42 石英/ 3.9151.98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（ s 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（er）

6、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（e r ）为4.7。信号传输速度为138m/（1S。改变树脂体系，可较易改变介电常数（ er）。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专输线到达接收元件（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

7、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： 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 PC哦路的Z0值，而与高速元件的输出阻抗值匹配。1、特性阻抗

8、Z0与板材的e 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 +1.41ln5.98H /(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

9、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 +1.41ln5.98H /(0.8W+T)线宽W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0.13mmi传统上，线宽控制偏差为 20%。对非传

10、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导线宽度偏差土 20%,已不能满足要求。因为，此时的 Z0误差已超过土 10% 举例如下：某PCBB带线宽度为100 dm,线厚为20 dm,介质厚度为100dm，假设成品PCB铜厚度均匀不变，问线宽变化 20% Z0能否符合土 10%内？ 解：根据公式 Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H /(0.8W+T) 代入：线宽 W0 = 100m mW1 = 80 m, W2 = 120 dm 线厚 T=20m,介 质厚度 H= 100dm，则：Z01 /Z02 =1.20 所以，Z

11、0刚好 10%不能达到土 10% 要达到特性阻抗 Z0 10%导线宽偏差必须进一步缩小，必须远小于土 20M行。 同理，要控制 Z0W5%,导线宽公差必须控制w10% 因此，我们就不难理解，为什么聚四氟乙烯PCB和某些FR-4PCB ,要求线宽士 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

12、，控制在所要求的范围内 （士 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程全对，同样 报废。因为Z0受e r影响大。7、阻焊板面的阻焊会使信号线的 Z0值降低13Q,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13a ,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er =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：50Q 10%, 75a 10