電子產業一站式服務平臺
技術中心
首頁>技術中心>詳情
印刷電路板（PCB）的特性阻抗與特性阻抗控制
2014/09/11
Lee
0
8749
1、電阻
交流電流流過一個導體時，所受到的阻力稱為阻抗 （Impedance），符合為Z，單位還是Ω。此時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）的阻力問題。為區別直流電的電阻，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，IC集成度的提高和應用，其信號傳輸頻率和速 度越來越高，因而在印制板導線中，信號傳輸（發射）高到 某一定值后，便會受到印制板導線本身的影響，從而導致傳 輸信號的嚴重失真或完全喪失。這表明，PCB導線所“流通”的“東西”并不是電流，而是 方波訊號或脈沖在能量上的傳輸。
3、特性阻抗控制（Z0 ）
上述此種“訊號”傳輸時所受到的阻力，另稱為“特性阻 抗”，代表符號為Z0。
所以，PCB導線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問題還 不夠，還要控制導線的特性阻抗問題。就是說，高速傳輸、高頻訊號傳輸的傳輸線，在質量上 要比傳輸導線嚴格得多。不再是“開路/短路”測試過關，或者 缺口、毛刺未超過線寬的20%，就能接收。必須要求測定特性阻抗值，這個阻抗也要控制在公差以 內，否則，只有報廢，不得返工。
二、訊號傳播與傳輸線
1、信號傳輸線定義
（1）根據電磁波的原理，波長（λ）越短，頻率（f）越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s
（2）任何元器件，盡管具有很高的信號傳輸頻率，但經 過PCB導線傳輸后，原來很高的傳輸頻率將降下來，或時間 延遲了。因此，導線長度越短越好。
（3）提高PCB布線密度或縮短導線尺寸是有利的。但是，隨著元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短，導線 長度接近信號波長（速度）的某一范圍，此時元件在PCB導 線傳輸時，便會出現明顯的“失真”。
（4）IPC－2141的3.4.4提出：當信號在導線中傳輸時，如果導線長度接近信號波長 的1/7時，此時的導線被視為信號傳輸線。
（5）舉例：某元件信號傳輸頻率（f）為10MHZ ，PCB上導線長度為50cm，是否應考慮特 性阻抗控制？
解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm
導線長度/信號波長＝50/3000＝1/60
因為：1/60<1/7，所以此導線為普通導線，不必考慮特性阻抗問題。
在電磁波理論中，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信 號在介質中的傳播速度VS 與光速C成正比，而與傳輸介質的 介電常數成反比。
VS ＝C/√εr
當εr ＝1時，信號傳輸達到了光的傳播速度，即3 ×1010 cm/s 。
2、傳輸速率與介電常數
不同板材在30MHZ 下的信號傳輸速度
介質材料 Tg（ °C ） 介電常數 信號傳輸速度（m/μs）
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
氰酸酯樹脂 225 3.0 173.21
聚四氟乙烯樹脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25
氰酸酯樹脂＋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
環氧樹脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
鋁 / 9.0 100.00
由上表可見，隨著介電常數（ εr ）的增加，信號在介 質材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號傳輸速度，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（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介電常數（εr ）最小，傳輸速 度最快。
FR-4板材，是由環氧樹脂和E級玻璃布聯合組成，介電 常數（εr ）為4.7。信號傳輸速度為138m/μs。改變樹脂體系，可較易改變介電常數（εr ）。
三、特性阻抗值控制緣由
1、緣由一
電子設備（電腦、通信機）操作時，驅動元件（Driver） 所發出的信號，將通過PCB傳輸線到達接收元件 （Receiver）。信號在印制板的信號線中傳輸時，其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配，信號中的“能量”才會得 到完整的傳輸。
2、緣由二
一旦出現印制板質量不良，Z0 超出公差時，所傳的信號 會出現反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰減 （Attenuation）或延誤（Delay）等問題，嚴重時會傳錯信 號，死機。
3、緣由三
嚴格選擇板材和控制生產流程，多層板上的Z0 才能符合 客戶所要求的規格。元件的電子阻抗越高時，其傳輸速度才會越快，因而 PCB的Z0 也要隨之提高，方能達到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板，才算得上是高速或高頻訊號所要求的 合格品。
四、特性阻抗ZO 與板材及制程關系
微帶線結構的特性阻抗Z0計算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
其中：εr －介電常數 H－介質厚度 W－導線寬度 T－導線厚度
板材的 εr 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εr成反比
Z0 隨著介質厚度的增加而增大。因此，對Z0 嚴格的高頻 線路來說，對覆銅板基材的介質厚度的誤差，提出了嚴格的 要求。通常，介質厚度變化不得超過10％。
2、 介質厚度對特性阻抗Z0的影響
隨著走線密度的增加，介質厚度的增加會引起電磁干擾 的增加。因此，高頻線路和高速數字線路的信號傳輸線，隨 著導體布線密度的增加，應減小介質厚度，以消除或降低電 磁干擾所帶來的雜信或串擾問題、或大力降低εr ，選用低εr 基材。
根據微帶線結構的特性阻抗Z0 計算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
銅箔厚度（T）是影響Z0的一個重要因素，導線厚度越 大，其Z0越小。但其變化范圍相對較小。
3、 銅箔厚度對特性阻抗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 Z0 貢獻不大。
采用薄銅箔對Z0 的貢獻，還不如說是由于薄銅箔對制造 精細導線，來提高或控制Z0 而作出貢獻更為確切。
根據公式：
Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
線寬W越小，Z0越大；減少導線寬度可提高特性阻抗。
線寬變化比線厚變化對Z0的影響明顯得多。
4、 導線寬度對特性阻抗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 格控制線寬。目前，大多數高頻線路和高速數字線路的信號傳輸線寬 W為0.10或0.13mm。傳統上，線寬控制偏差為±20％。對非傳輸線的常規電 子產品的PCB導線（導線長 < 信號波長的1/7）可滿足要 求，但對有Z0 控制的信號傳輸線，PCB導線寬度偏差±20％， 已不能滿足要求。因為，此時的Z0 誤差已超過±10%。
舉例如下：
某PCB微帶線寬度為100μm，線厚為20μm，介質厚度為100μm，假設成品 PCB銅厚度均勻不變，問線寬變化±20%，Z0 能否符合±10%以內？
解：根據公式
Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
代入：線寬W0 ＝ 100μm， W1 ＝ 80μm， W2 ＝ 120μm，線厚T＝20μm，介 質厚度H＝100μm，則：Z01 /Z02 =1.20
所以，Z0 剛好±10%，不能達到<±10%。< p="">
要達到特性阻抗Z0 <±10%，導線寬偏差必須進一步縮小， 必須遠小于±20%才行。
同理，要控制Z0 ≤5％，導線寬公差必須控制≤±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（21±2°C，55 ± 5%），防塵；線寬工藝補償。
2、 拼板設計
拼板板邊不能太窄，鍍層均勻，電鍍加假陰極，分散電 流；
設計拼板板邊測試Z0 的標樣（coupon）。
3、 蝕刻
嚴格工藝參數，減少側蝕，進行首檢；
減少線邊殘銅、銅渣、銅碎；
檢查線寬，控制在所要求的范圍內（ ± 10% 或± 0.02mm）。
4、 AOI檢查
內層板務必找出導線缺口、凸口，對2GHZ 高速訊號，即 使0.05mm的缺口，也必須報廢；控制內層線寬和缺陷是關鍵。
5、 層壓
真空層壓機，降低壓力減少流膠，盡量保持較多的樹脂 量，因為樹脂影響εr ，樹脂保存多些， εr會低些。控制層壓厚度公差。因為板厚不均勻，就表明介質厚度 變化，會影響Z0 。
6、 選好基材
嚴格按客戶要求的板材型號下料。型號下錯， εr不對，板厚錯，制造PCB過程全對，同樣 報廢。因為Z0 受εr影響大。
7、 阻焊
板面的阻焊會使信號線的Z0 值降低1～3Ω，理論上說阻焊 厚度不宜太厚，事實上影響并不很大。銅導線表面所接觸的是空氣（ εr ＝1），所以測得Z0 值 較高。但在阻焊后測Z0 值會下降1～3Ω，原因是阻焊的εr 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，因為水的εr ＝75,對Z0 會帶 來很大的下降和不穩的效果。
六、小結
多層板信號傳輸線的特性阻抗Z0 ，目前要求控制范圍通 常是：50Ω±10%，75Ω ±10%，或28Ω±10% 。
控制住的變化范圍，必須考慮四大因素：
（1）信號線寬W；
（2）信號線厚T；
（3）介質層厚度H；
（4）介電常數εr 。
影響最大的是介質厚度，其次是介電常數，導線寬度， 最小是導線厚度。在選定基材后，εr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，且線寬問題又有導線上針孔、 缺口、凹陷等問題。從某種意義上說，控制Z0，最有效最重要的方法是控制調整線寬。
下一篇：印刷電路板（PCB）的特性阻抗與特性阻抗控制