PCB阻抗知识讲解

阻抗知识讲解2011.12.10目录•1阻抗相关概念•2特性阻抗控制的意义及原理•3特性阻抗的影响因素•4实测数据分析各参数对阻抗的影响•5阻抗控制建议1相关概念---阻抗•1.1当直流电流流过一个导体时候会收到一个阻力，我们称为电阻。•R=U/I•当交流电流通过导体时，同样会收到一个阻力，此阻力除了电阻的阻力外，还有感抗和容抗的阻力,此阻力的矢量合我们称为阻抗。•Z=R+j(XL–XC)•电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。在电子通讯产品中线路板中传输的能量，是种高低电平构成的脉冲信号，其所受的阻力称为特性阻抗。1.2特性阻抗及阻抗匹配概念的详细解释•PCB中，当某讯号方波，在传输线组合体的讯号当中，以高准位的正压讯号向前推进时，则在距离最近的参考层（如接地层）中理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行。若将其飞行时间短暂加以冻结，即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等共同呈现的瞬间阻抗值，此即所谓的特性阻抗值。阻抗匹配（Impedancematching）在高频设计中是一个常用的概念，是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。如果是电路板上的高速信号线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。当信号在PCB导线中传输时，若导线的长度相当于信号线长度的1/7时(1/10时)此时的导线便作为信号线传输。即，低频不必考虑特性阻抗问题。讯号的传输波长按照：λ=C/f（C---光速）传输的频率越高，波长越短，当频率达GHZ的情况时候，λ将在cm或mm单位级长度，此时必须控制导线的特性阻抗.讯号线的特性阻抗与终端IC的阻抗不匹配，过大或者过小，信号传输过程将出现反射，散射，衰弱或延迟的情况，导致噪音以及信号不完整。所以我们要设法让阻抗板的特性阻抗值与终端IC的阻抗匹配，以利于电路的信号传输和能源的节约。λ信号L因此，随着电子产品小型化、数字化、高频化和多功能化等的快速发展与进步，作为电子产品中电气的互连件—PCB中的导线的作用，已不仅只是电流流通与否的问题，而且是作为“传输线”的作用。也就是说，对于高频信号或高速数字信号的传输用的PCB之电气测试，不仅要测试线路的“通”、“断”、“短路”等是否合乎要求，而且还要其“特性阻抗值”是否合乎要求，只有这两方面都“合格”了，PCB才符合允收性。2特性阻抗控制的意义及原理3特性阻抗的影响因素目前阻抗的模块较多，如线路板厂广泛应用的英国Polar公司的SI8000软件就提供了89种，但实际众多的模块最终又可以分为两大类，即微带状Microstripline和带状Stripline两种。微带状传输带传输线路是由一条安装在可导接地层的低损耗绝缘体上的控制宽度的可导迹线构成的。该绝缘体通常使用强化玻璃环氧树脂制造，例如G10、FR-4或PTFE，用于超高频应用。带状线传输线路通常包括夹在两个参考层和绝缘材质之间的导线迹线。传输线路和层构成了控制阻抗。带状线与微带状传输带的不同之处在于它嵌入到两个参考层之间的绝缘材质中，带状线阻抗参考两个平面，阻抗迹线在内层，而微波传输带只有一个参考平面，阻抗迹线在PCB板的外层（表层微带线阻抗计算公式带线阻抗计算公式由公式可知无论是哪一种模型，影响其大小的主要因素包括：绝缘材料的相对介质常数Er，线宽W,介质层厚度(H,D)，导线的厚度T。在实际的制程中，每一项参数都有其制程的变异，这些变异将影响最终线路的阻抗值。3.1介质常数介质常数是材料的特性，相同频率下不同树脂含量板料的介质常数是不同的，环氧树脂的介质常数一般是3.5，玻璃纤维布为6.5，树脂含量越高介质常数越小.相同的树脂含量的材料不同的测试频率情况下介质常数是不同的，一般FR4基材1MHZ为4.7，1GHZ情况下是4.3，是呈降低趋势,一般FR4按照4.3计算。图中横坐标取了对数刻度也即频率变化范围为0.1-10000(MHZ)有图可知同一种板料，随着测试频率的增加介电常数呈走负趋势，因而板的特性阻抗由前面的公式可知呈走正趋势。附：康庄电路软板、软硬结合板常用材料介质常数参考表供应商材料类型介电常数杜邦AP8525R……基材3.4FR0110……覆盖膜3.5台虹THKD100520JY……基材4.0FHT0525……覆盖膜4.0BH-25粘结片未知生益S1141FR45.5生益S01551080/2116PP4.7生益S01651080/2116PP4.8ISOLAFR406NF1080……PP4.3太阳PSR4000油墨4.2PSR9000-A02油墨3.1PSR9000-FLEX501油墨4.33.2介质层厚度对阻抗的影响从之前介绍的公式中可看出，特性阻抗是与介质厚度的自然对数成正比的，因而可知介质厚度越厚，其阻抗越大，所以介质厚度是影响特性阻值的另一个主要因素。从上图中可以看出微带线结构的设计比起带状线设计时在相同介质厚度和材料下具有较高的特性阻抗值一般要大20－40欧，因此对高频和高速数字信号传输大多采用微带线结构的设计。同时，特性阻抗值将随着介质厚度的增加而增大，所以对于特性阻抗值严格控制的高频线路来说，对覆铜板的介质厚度的误差应提出严格要求，一般来说，其介质厚度变化最多不超过10％。对于多层板来说介质厚度还是个加工因素，特别是与多层层压加工密切相关因此也应严密加以控制。1mil的介质层厚度引起的阻抗变化为5～8ohm。介质层厚度增加引起阻抗变化是走正趋势。3.3导线宽度对阻抗的影响导线宽度变化所引起的相应阻抗变化是：1mil的导线宽度引起的阻抗变化为5～8ohm。导线宽度增加引起阻抗变化是走负趋势。由于导线的宽度是设计者必须根据多种设计要求来确定的。它既要满足导线载流量和温升的要求又要得到所期望的阻抗值。因此对于阻抗设计而言，应该尽可能避免为了一味追求阻抗值的精确而大幅修正线宽线距或铜厚。但对于整个阻抗控制而言，这些变量却又是PCB生产过程中波动最大的。因为选定材料和完成PCB设计之后，这意味着：①介电常数εr值、介质厚度H值、导线厚度等基本不变；②导线宽度偏差最大，也最难控制，因为制造过程长、影响多。③导线较长又是用来传输信号的，导线宽度偏差是影响特性阻抗值Z的最大因素。所以，对生产过程而言，控制好蚀刻工序的线宽线距是阻抗控制的关键。3.4导线厚度对阻抗的影响导线厚度与特性阻抗的关系铜厚(微米)13141516171819202122阻抗(欧)58.6158.358.0157.7357.4557.1756.9156.6456.3956.14铜厚(微米)23242526272829303132阻抗(欧)55.8955.6555.4255.1954.9654.7454.5254.354.0953.88铜厚(微米)33343536373839404142阻抗(欧)53.6753.4753.2753.0852.8852.6952.552.3352.1451.96铜厚(微米)4344454647484950阻抗(欧)51.7851.651.4251.2551.0750.950.7350.57⑴从Z的公式中可看出，Z0的值是随着导线厚度T的减少而增加着。⑵在相同的厚度下，微带线有较大的Z值。⑶由上表及左图可知导线厚度增加引起阻抗变化呈负趋势，但对整体影响极小。••Z—导线的特性阻抗值•Er—绝缘材料的相对介质常数•H，D—介质层厚度•W—导线的宽度•T—导线的厚度由图列分析和公式更加确定，PCB特性阻抗与H，D成正比与Er、W、T成反比。•微带线阻抗计算公式带线阻抗计算公式3.5特性阻抗影响因素理论再现4.1以下表格是我们公司所做阻抗板A4E1664的首次评估的10片板的阻抗测试数据，有碱性蚀刻后和WF后的对比。由表格可知，线宽W越大，板的阻抗值越低，WF绿油后，由于增加了介质层的后度，阻抗也会减少，分析得知绿油后阻抗减少值为10±3，均与前面的公式推论符合。又由于碱性蚀刻后线宽在0.21MM—0.25MM再经绿油后89±4欧姆，能达到该板的阻抗要求90±9欧姆。所以分析确定碱性蚀刻后线宽的控制范围为0.23±0.02MM.4.实测数据分析4.2FAA4E1664批量生产板阻抗测试结果(12月9日)阻抗平均值阻抗测试最大值阻抗测试最小值阻抗测试平均值阻抗测试最大值阻抗测试最小值99.45100.8196.4690.0791.0389.0598.69100.3995.7288.0288.9687.4599.72101.0796.9287.4789.8986.23102.81103.74101.2588.3389.387.3297.52100.5791.2585.7287.0283.37100.99102.9898.7692.6693.8691.829798.0395.9690.0191.5188.599.92101.3697.6788.3489.2187.5298.23100.3495.3387.8889.485.9695.7896.9393.8894.896.3392.94101.09102.0799.5790.3491.9188.2399.31100.2997.9989.9791.3888.6299.96101.7398.290.2892.3787.41100.02101.2998.4591.1592.4888.4896.899.0693.6190.6591.4289.595.53106.45100.6689.1790.0888.5996.6697.4295.3785.7788.7882.6497.8799.3596.4688.8789.9588.11100.34101.2498.948989.7888.39菲林设计线宽FAA4E1664批量生产板阻抗测试结果(12月9日)WF绿油后阻抗测试3600mm/min0.27mm蚀刻速度从碱性蚀刻后和WF绿油后阻抗测试数据分析可知，WF后测试条阻抗减少10±3.0.215-0.225mm碱性蚀刻后阻抗测试数据实测线宽经分析确定碱性蚀刻后线宽控制在0.215-0.225MM之间的阻抗测试结果都符合品质要求。而且绿油后阻抗值比碱性蚀刻后所测的阻抗值减少7—13欧姆。•根据以上理论模型及实际测试数据分析,结合康庄实际工艺流程及控制情况,我们建议对后续阻抗产品进行如下控制：•1设计阶段：•参考各种参数对特性阻抗的影响程度（影响最大的是介质厚度H，其次是介质常数Er和导线宽度W，影响最小的是导线厚度T。）结合客户要求选择最合适的基材（建议用高频且Er值一定的材料），当基材选好，再考虑合适的线宽度（通常一个比较简单可参考的控制范围在±20%的表面微带线是线宽是板厚的两倍）；以及WF绿油后介质层厚度的增加对特性阻抗的影响。•打样前，根据材料特性及工艺流程设计，使用模拟软板测试大致区间线宽，并以此为基准进行衍生区间带设计，制作相应的阻抗条；•电镀流程尽量使用电孔以减少整板电不均匀造成的数据偏移，对于精度要求高的产品，建议使用TL以保证均匀性和最佳线宽控制。•打样制作：•无论是制作阻抗测试条还是制作样板，均要求严格按照工艺控制要求，作好全程工艺参数及设备操作记录，以备后续参考；像A4E1664在其它条件不变的情况下，碱性蚀刻后测试条的线宽控制的合适范围为0.23±0.02mm。•若使用整板电工艺，需要最大程度上平衡电流，以确保均匀性；•蚀刻时认真做好首件，确保线宽在设计要求的范围内并测试该线宽下板的特性阻抗值和参考WF绿油后阻抗的减少值之后确定该线宽条件下能符合阻抗品质要求且其它无任何异常情况下进行批量生产；•测试与反馈•按照测试标准要求，对仪器进行校正并进行测试。对于测试结果偏差明显的要进行分析，并将