PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

　　1、電阻

　　交流電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)鋁基板邊料回收價(jià)格，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，因而在印制電路板導(dǎo)線中，信號(hào)傳輸(發(fā)射)高到 某一定值后，便會(huì)受到印制電路板導(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(kāi)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

　　(1)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

　　(2)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。

　　(3)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”。

　　(4)IPC－2141的3.4.4提出鋁基板邊料回收價(jià)格：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。

　　(5)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(shù)脂 225 3.0 173.21

　　聚四氟乙烯樹(shù)脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25

　　氰酸酯樹(shù)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(shù)脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

　　鋁 / 9.0 100.00

　　由上表可見(jiàn)，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鋁基板邊料回收價(jià)格；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 )最小，傳輸速 度最快。

　　FR-4板材，是由環(huán)氧樹(shù)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(shù)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)在印制電路板的信號(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)印制電路板質(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。