PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制

2013年05月30日 14:05    qq8426030
关键词: 特性阻抗

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 (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。


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