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印刷电路板(PCB)的特性阻抗与特性阻抗控制(转)

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印刷电路板(PCB)的特性阻抗与特性阻抗控制
发布时间:2010-10-21

一、前言

 

直流电通过导线时,会受到一个阻力,这个阻力称为电阻,符合为R,数值单位为“欧姆”(Ω)。
电阻与电流和电压的关系是:R=V/I
另外,电阻还与导体材料的电阻率(β),导线的长度 (L),导体的截面积(S)有关。R= β L/S

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/μs)
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
/
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电磁干扰 的增加。因此,高频线路和高速威尼斯人线上娱乐线路的信号传输线,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威尼斯人线上娱乐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。


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