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PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制 摘要: 本文具體分析了PCB板的特性阻抗和特性阻抗的控制辦法。 1、電阻 交流電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí),所受到的阻力稱為阻抗 (Impedance),符合為Z,單位還是。 此時(shí)的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別,除了電阻 的阻力以外,還有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力問(wèn)題。 為區(qū)別直流電的電阻,將交流電所遇到之阻力稱為阻抗 (Z)。 Z= R2 +(XL -XC)2 2、阻抗(Z) 近年來(lái),IC集成度的提高和應(yīng)用,其信號(hào)傳輸頻率和速 度越來(lái)越高,因而在印制板導(dǎo)線中,信號(hào)傳輸(發(fā)射)高到 某一定值后,便會(huì)受到印制板導(dǎo)線本身的影響,從而導(dǎo)致傳 輸信號(hào)的嚴(yán)重失真或完全喪失。這表明,PCB導(dǎo)線所“流通”的“東西”并不是電流,而是 方波訊號(hào)或脈沖在能量上的傳輸。 3、特性阻抗控制(Z0 ) 上述此種“訊號(hào)”傳輸時(shí)所受到的阻力,另稱為“特性阻 抗”,代表符號(hào)為Z0。 所以,PCB導(dǎo)線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問(wèn)題還 不夠,還要控制導(dǎo)線的特性阻抗問(wèn)題。就是說(shuō),高速傳輸、高頻訊號(hào)傳輸?shù)膫鬏斁€,在質(zhì)量上 要比傳輸導(dǎo)線嚴(yán)格得多。不再是“開(kāi)路/短路”測(cè)試過(guò)關(guān),或者 缺口、毛刺未超過(guò)線寬的20%,就能接收。必須要求測(cè)定特性阻抗值,這個(gè)阻抗也要控制在公差以 內(nèi),否則,只有報(bào)廢,不得返工。 二、訊號(hào)傳播與傳輸線 1、信號(hào)傳輸線定義 (1)根據(jù)電磁波的原理,波長(zhǎng)()越短,頻率(f)越 高。兩者的乘積為光速。即C = .f 31010 cm/s (2)任何元器件,盡管具有很高的信號(hào)傳輸頻率,但經(jīng) 過(guò)PCB導(dǎo)線傳輸后,原來(lái)很高的傳輸頻率將降下來(lái),或時(shí)間 延遲了。 因此,導(dǎo)線長(zhǎng)度越短越好。 (3)提高PCB布線密度或縮短導(dǎo)線尺寸是有利的。但是,隨著元件頻率的加快,或脈沖周期的縮短,導(dǎo)線 長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng)(速度)的某一范圍,此時(shí)元件在PCB導(dǎo) 線傳輸時(shí),便會(huì)出現(xiàn)明顯的“失真”。 (4)IPC2141的3.4.4提出:當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí),如果導(dǎo)線長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng) 的1/7時(shí),此時(shí)的導(dǎo)線被視為信號(hào)傳輸線。 (5)舉例: 某元件信號(hào)傳輸頻率(f)為10MHZ ,PCB上導(dǎo)線長(zhǎng)度為50cm,是否應(yīng)考慮特 性阻抗控制? 解: C = .f 31010 cm/s C/f(3 1010 cm/s)/(1 107 /s )3000cm 導(dǎo)線長(zhǎng)度/信號(hào)波長(zhǎng)50/30001/60 因?yàn)椋?/601/7,所以此導(dǎo)線為普通導(dǎo)線,不必考慮特性阻抗問(wèn)題。 在電磁波理論中,馬克斯威爾公式告訴我們:正弦波信 號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度VS 與光速C成正比,而與傳輸介質(zhì)的 介電常數(shù)成反比。 VS C/r 當(dāng)r 1時(shí),信號(hào)傳輸達(dá)到了光的傳播速度,即3 1010 cm/s 。 2、傳輸速率與介電常數(shù) 不同板材在30MHZ 下的信號(hào)傳輸速度 介質(zhì)材料 Tg( C ) 介電常數(shù) 信號(hào)傳輸速度(m/?s) 真空 / 1.0 300.00 聚四氟乙烯 / 2.2 202.26 熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74 氰酸酯樹(shù)脂 225 3.0 173.21 聚四氟乙烯樹(shù)脂E玻璃布 / 2.6 186.25 氰酸酯樹(shù)脂玻璃布 225 3.7 155.96 聚酰亞胺玻璃布 230 4.5 141.42 石英 / 3.9 151.98 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃布 1305 4.7 138.38 鋁 / 9.0 100.00 由上表可見(jiàn),隨著介電常數(shù)( r )的增加,信號(hào)在介 質(zhì)材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號(hào)傳輸速度,需采用高的特性阻抗值;高的特性阻抗,必須選用低的介電常數(shù)(r )材料;聚四氟乙烯(teflON)的介電常數(shù)(r )最小,傳輸速 度最快。 FR-4板材,是由環(huán)氧樹(shù)脂和E級(jí)玻璃布聯(lián)合組成,介電 常數(shù)(r )為4.7。信號(hào)傳輸速度為138m/s。改變樹(shù)脂體系,可較易改變介電常數(shù)(r )。 三、特性阻抗值控制緣由 1、緣由一 電子設(shè)備(電腦、通信機(jī))操作時(shí),驅(qū)動(dòng)元件(Driver) 所發(fā)出的信號(hào),將通過(guò)PCB傳輸線到達(dá)接收元件 (Receiver)。信號(hào)在印制板的信號(hào)線中傳輸時(shí),其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配,信號(hào)中的“能量”才會(huì)得 到完整的傳輸。 2、緣由二 一旦出現(xiàn)印制板質(zhì)量不良,Z0 超出公差時(shí),所傳的信號(hào) 會(huì)出現(xiàn)反射(Reflection)、散失(Dissipation)、衰減 (Attenuation)或延誤(Delay)等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)會(huì)傳錯(cuò)信 號(hào),死機(jī)。 3、緣由三 嚴(yán)格選擇板材和控制生產(chǎn)流程,多層板上的Z0 才能符合 客戶所要求的規(guī)格。元件的電子阻抗越高時(shí),其傳輸速度才會(huì)越快,因而 PCB的Z0 也要隨之提高,方能達(dá)到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板,才算得上是高速或高頻訊號(hào)所要求的 合格品。 四、特性阻抗ZO 與板材及制程關(guān)系 微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗Z0計(jì)算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T) 其中:r 介電常數(shù) H介質(zhì)厚度 W導(dǎo)線寬度 T導(dǎo)線厚度 板材的 r 越低,越容易提高PCB線路的Z0 值,而與高速 元件的輸出阻抗值匹配。 1、 特性阻抗Z0與板材的r成反比 Z0 隨著介質(zhì)厚度的增加而增大。因此,對(duì)Z0 嚴(yán)格的高頻 線路來(lái)說(shuō),對(duì)覆銅板基材的介質(zhì)厚度的誤差,提出了嚴(yán)格的 要求。通常,介質(zhì)厚度變化不得超過(guò)10。 2、 介質(zhì)厚度對(duì)特性阻抗Z0的影響 隨著走線密度的增加,介質(zhì)厚度的增加會(huì)引起電磁干擾 的增加。因此,高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線,隨 著導(dǎo)體布線密度的增加,應(yīng)減小介質(zhì)厚度,以消除或降低電 磁干擾所帶來(lái)的雜信或串?dāng)_問(wèn)題、或大力降低r ,選用低r 基材。 根據(jù)微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗Z0 計(jì)算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T) 銅箔厚度(T)是影響Z0的一個(gè)重要因素,導(dǎo)線厚度越 大,其Z0越小。但其變化范圍相對(duì)較小。 3、 銅箔厚度對(duì)特性阻抗Z0的影響 越薄的銅箔厚度,可得到較高的Z0 值,但其厚度變化對(duì) Z0 貢獻(xiàn)不大。 采用薄銅箔對(duì)Z0 的貢獻(xiàn),還不如說(shuō)是由于薄銅箔對(duì)制造 精細(xì)導(dǎo)線,來(lái)提高或控制Z0 而作出貢獻(xiàn)更為確切。 根據(jù)公式: Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T) 線寬W越小,Z0越大;減少導(dǎo)線寬度可提高特性阻抗。 線寬變化比線厚變化對(duì)Z0的影響明顯得多。 4、 導(dǎo)線寬度對(duì)特性阻抗Z0的影響 Z0 隨著線寬W變窄而迅速增加,因此,要控制Z0 ,必須嚴(yán) 格控制線寬。目前,大多數(shù)高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線寬 W為0.10或0.13mm。傳統(tǒng)上,線寬控制偏差為20。對(duì)非傳輸線的常規(guī)電 子產(chǎn)品的PCB導(dǎo)線(導(dǎo)線長(zhǎng) 信號(hào)波長(zhǎng)的1/7)可滿足要 求,但對(duì)有Z0 控制的信號(hào)傳輸線,PCB導(dǎo)線寬度偏差20, 已不能滿足要求。因?yàn)椋藭r(shí)的Z0 誤差已超過(guò)10%。 舉例如下: 某PCB微帶線寬度為100m,線厚為20m,介質(zhì)厚度為100m,假設(shè)成品 PCB銅厚度均勻不變,問(wèn)線寬變化20%,Z0 能否符合10%以內(nèi)? 解:根據(jù)公式 Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T) 代入:線寬W0 100m, W1 80m, W2 120m,線厚T20m,介 質(zhì)厚度H100m,則:Z01 /Z02 =1.20 所以,Z0 剛好10%,不能達(dá)到10%。 要達(dá)到特性阻抗Z0 10%,導(dǎo)線寬偏差必須進(jìn)一步縮小, 必須遠(yuǎn)小于20%才行。 同理,要控制Z0 5,導(dǎo)線寬公差必須控制10%。 因此,我們就不難理解,為什么聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB,要求線寬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藝控制 1、 底片制作管理、檢查 恒溫恒濕房(212C,55 5%),防塵;線寬工藝補(bǔ)償。 2、 拼板設(shè)計(jì) 拼板板邊不能太窄,鍍層均勻,電鍍加假陰極,分散電 流; 設(shè)計(jì)拼板板邊測(cè)試Z0 的標(biāo)樣(coupon)。 3、 蝕刻 嚴(yán)格工藝參數(shù),減少側(cè)蝕,進(jìn)行首檢; 減少線邊殘銅、銅渣、銅碎; 檢查線寬,控制在所要求的范圍內(nèi)( 10% 或 0.02mm)。 4、 AOI檢查 內(nèi)層板務(wù)必找出導(dǎo)線缺口、凸口,對(duì)2GHZ 高速訊號(hào),即 使0.05mm的缺口,也必須報(bào)廢;控制內(nèi)層線寬和缺陷是關(guān)鍵。 5、 層壓 真空層壓機(jī),降低壓力減少流膠,盡量保持較多的樹(shù)脂 量,因?yàn)闃?shù)脂影響r ,樹(shù)脂保存多些, r會(huì)低些??刂茖訅汉穸裙睢R?yàn)榘搴癫痪鶆?,就表明介質(zhì)厚度 變化,會(huì)影響Z0 。 6、 選好基材 嚴(yán)格按客戶要求的板材型號(hào)下料。型號(hào)下錯(cuò), r不對(duì),板厚錯(cuò),制造PCB過(guò)程全對(duì),同樣 報(bào)廢。因?yàn)閆0 受r影響大。 7、 阻焊 板面的阻焊會(huì)使信號(hào)線的Z0 值降低13,理論上說(shuō)阻焊 厚度不宜太厚,事實(shí)上影響并不很大。銅導(dǎo)線表面所接觸的是空氣( r 1),所以測(cè)得Z0 值 較高。但在阻焊后測(cè)Z0 值會(huì)下降13,原因是阻焊的r 為 4.0,比空氣高出很多。 8、 吸水率 成品多層板要盡量避免吸水,因?yàn)樗膔 75,對(duì)Z0 會(huì)帶 來(lái)很大的下降和不穩(wěn)的效果。 六、小結(jié) 多層板信號(hào)傳輸線的特性阻抗Z0 ,目前要求控制范圍通 常是:5010%,75 10%,或2810% 。 控制住的變化范圍,必須考慮四大因素: (1)信號(hào)線寬W; (2)信號(hào)線厚T; (3)介質(zhì)層厚度H; (4)介電常數(shù)r 。 影響最大的是介質(zhì)厚度,其次是介電常數(shù),導(dǎo)線寬度, 最小是導(dǎo)線厚度。在選定基材后,r變化很小,H變化也小,T較易控制,而線寬W控制在10%是困難的,且線寬問(wèn)題又有導(dǎo)線上
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