印刷电路板的特性阻抗与特性阻抗控制
印刷电路板的特性阻抗与特性阻抗控制
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，因而在印制电路板导线中，信号传输(发射)高到某一定值后，便会受到印制电路板导线本身的影响，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＝3×1010cm/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＝3×1010cm/s
λ＝C/f＝(3×1010cm/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3×1010cm/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/1.0300.00
聚四氟乙烯/2.2202.26
热固性聚丙醚2102.5189.74
氰酸酯树脂2253.0173.21
聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布/2.6186.25
氰酸酯树脂＋玻璃布2253.7155.96
聚酰亚胺＋玻璃布2304.5141.42
石英/3.9151.98
环氧树脂玻璃布130±54.7138.38
铝/9.0100.00
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)。信号在印制电路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
一旦出现印制电路板质量不良，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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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、特性阻抗控制印制电路板工艺控制
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，打样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。
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，因而在印制电路板导线中，信号传输(发射)高到某一定值后，便会受到印制电路板导线本身的影响，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＝3×1010cm/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＝3×1010cm/s
λ＝C/f＝(3×1010cm/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3×1010cm/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/1.0300.00
聚四氟乙烯/2.2202.26
热固性聚丙醚2102.5189.74
氰酸酯树脂2253.0173.21
聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布/2.6186.25
氰酸酯树脂＋玻璃布2253.7155.96
聚酰亚胺＋玻璃布2304.5141.42
石英/3.9151.98
环氧树脂玻璃布130±54.7138.38
铝/9.0100.00
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)。信号在印制电路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
一旦出现印制电路板质量不良，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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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+1.41ln5.98H/(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、特性阻抗控制印制电路板工艺控制
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，打样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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