上海 江蘇 浙江 安徽 PCB培訓 PCB行業平臺 郵箱登陸 聯系我們
                      緯亞聯系電話:0512-57933566
                      PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制服務

                      聯系我們

                      蘇州昆山緯亞PCB生產基地聯系方式
                      蘇州昆山緯亞電子科技有限公司

                      公司地址:昆山市千燈鎮善浦西路26號
                      公司電話Tel:0512-50139595
                      電子郵件Email: steven@pcbvia.com

                      首頁  技術支持  資料中心PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

                      PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

                      發布時間:2016-06-21 08:21:02 分類:資料中心

                       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
                        
                       ?。?)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
                        
                       ?。?)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。
                        
                       ?。?)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pcb導 線傳輸時,便會出現明顯的“失真”。
                        
                       ?。?)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。
                        
                       ?。?)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/?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%。
                        
                        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??刂茖訅汉穸裙?。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:

                        
                       ?。?)信號線寬W;
                        
                       ?。?)信號線厚T;
                        
                       ?。?)介質層厚度H;
                        
                       ?。?)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。

                      來源:PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

                      瀏覽"PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制"的人還關注了

                      版權所有:昆山緯亞電子科技有限公司      技術支持:李麟
                      少妇3P黑人叫声惨