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  • 印刷電路板(PCB)的特性阻抗與特性阻抗控製
    發布時間:2010-10-21

    一、前言

     

    直流電通過導線時,會受到一個阻力,這個阻力稱為電阻,符合為R,數值單位為“歐姆”(Ω)。
    電阻與電流和電壓的關係是:R=V/I
    另外,電阻還與導體材料的電阻率(β),導線的長度 (L),導體的截麵積(S)有關。R= β L/S

    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,因而在印製板導線中,信號傳輸(發射)高到 某一定值後,便會受到印製板導線本身的影響,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”並不是電流,而是 方波訊號或脈衝在能量上的傳輸。

    3、特性阻抗控製(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,還要控製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,這個阻抗也要控製在公差以 內,否則,隻有報廢,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導線傳輸後,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,或脈衝周期的縮短,導線 長度接近信號波長(速度)的某一範圍,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 性阻抗控製?
    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AG都開的一樣怎麽殺豬: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
    /
    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。改變樹脂體係,可較易改變介電常數(εr )。

     

    三、特性阻抗值控製緣由

     

    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)。信號在印製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
    一旦出現印製板質量不良,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
    嚴格選擇板材和控製生產流程,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 與板材及製程關係

     

    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幹擾 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 磁幹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。但其變化範圍相對較小。

    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,還不如說是由於薄銅箔對製造 精細導線,來提高或控製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,要控製Z0 ,必須嚴 格控製線寬。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,線寬控製偏差為±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 控製的信號傳輸線,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%。
    要達到特性阻抗Z0 <±10%,導線寬偏差必須進一步縮小, 必須遠小於±20%才行。
    同理,要控製Z0 ≤5%,導線寬公差必須控製≤±10%。
    因此,AG都開的一樣怎麽殺豬就不難理解,為什麽聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB,要求線寬±0.02mm,其原因就是要控製特性阻抗 Z0值。

     

    五、特性阻抗控製印製板工藝控製


    1、 底片製作管理、檢查
    恒溫恒濕房(21±2°C,55 ± 5%),防塵;線寬工藝補償。

    2、 拚板設計
    拚板板邊不能太窄,鍍層均勻,電鍍加假陰極,分散電 流;
    設計拚板板邊測試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,控製在所要求的範圍內( ± 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;控製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。控製層壓厚度公差。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,製造PCB過程全對,同樣 報廢。因為Z0 受εr影響大。

    7、 阻焊
    板麵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,事實上影響並不很大。銅導線表麵所接觸的是空氣( εr =1),所以測得Z0 值 較高。但在阻焊後測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 ,目前要求控製範圍通 常是:50Ω±10%,75Ω ±10%,或28Ω±10% 。
    控製住的變化範圍,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。在選定基材後,εr變化很小,H變化也小,T較易控製,而線寬W控製在±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,控製Z0,最有效最重要的方法是控製調整線寬。

     


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