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PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制 北京阻抗pcb制作

  • 發(fā)布時(shí)間:2022-08-02 11:44:21
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       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Ω。

  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

 ?。?)根據(jù)電磁波的原理,波長(zhǎng)(λ)越短,頻率(f)越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s

 ?。?)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。

 ?。?)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”。

 ?。?)IPC-2141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。

 ?。?)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 = λ.f =3×1010 cm/s

  λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm

  導(dǎo)線長(zhǎng)度/信號(hào)波長(zhǎng)=50/3000=1/60

  因?yàn)椋?/60《1/7,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/√εr

  當(dāng)εr =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(huán)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(shù)( εr )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)(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介電常數(shù)(εr ),傳輸速 度快。

  FR-4板材,是由環(huán)氧樹脂和E級(jí)玻璃布聯(lián)合組成,介電 常數(shù)(εr )為4.7。信號(hào)傳輸速度為138m/μs。改變樹脂體系,可較易改變介電常數(shù)(εr )。

  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:εr -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 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(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εr ,選用低εr 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)?,此時(shí)的Z0 誤差已超過(guò)±10%。

  舉例如下:

  某PCB微帶線寬度為100μm,線厚為20μm,介質(zhì)厚度為100μm,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 = 100μm, W1 = 80μm, W2 = 120μm,線厚T=20μm,介 質(zhì)厚度H=100μm,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(21±2°C,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,盡量保持較多的樹脂 量,因?yàn)闃渲绊?epsilon;r ,樹脂保存多些, εr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), εr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εr影響大。

  7、 阻焊

  板面的阻焊會(huì)使信號(hào)線的Z0 值降低1~3Ω,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( εr =1),所以測(cè)得Z0 值 較高。但在阻焊后測(cè)Z0 值會(huì)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?yàn)樗?epsilon;r =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:50Ω±10%,75Ω ±10%,或28Ω±10% 。

  控制住的變化范圍,必須考慮四大因素:

 ?。?)信號(hào)線寬W;

 ?。?)信號(hào)線厚T;

 ?。?)介質(zhì)層厚度H;

 ?。?)介電常數(shù)εr 。

  影響的是介質(zhì)厚度,其次是介電常數(shù),導(dǎo)線寬度, 是導(dǎo)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(wèn)題又有導(dǎo)線上針孔、 缺口、凹陷等問(wèn)題。從某種意義上說(shuō),控制Z0,有效重要的方法是控制調(diào)整線寬。

THE END

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