影響印刷電路板特性阻抗的其它因素

2019-11-03 09:59:26

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供稿：網友

田麗曹安照
(安徽工程科技學院電氣系，安徽蕪湖 241000)

　　摘要：繼文獻［1］后，本文進一步分析了影響特性阻抗的其它因素，重點討論了介質常數對PCB特性阻抗的影響。

　　關鍵詞：印刷電路板特性阻抗介質常數

　　概述

　　隨著信號傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應用，對印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發生反射現象，信號保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、精確、無干擾、噪音的傳輸信號。本文在文獻［1］的基礎上進一步探討了其它影響PCB特性阻抗的因素，特別是介質常數的影響。

　　1表面微帶線及特性阻抗

　　表面微帶線的特性阻抗值較高并在實際中廣泛采用，它的外層為控制阻抗的信號線面，它和與之相鄰的基準面之間用絕緣材料隔開，見圖1。

　　特性阻抗的計算公式為：

　　Z0：印刷導線的特性阻抗

　　εr：絕緣材料的介電常數

　　h：印刷導線與基準面之間的介質厚度

　　w：印刷導線的寬度

　　t：印刷導線的厚度

　　從圖1以及公式(1)可以看出：影響特性阻抗的主要因素是：(1)介質常數εr；(2)介質厚度h；(3)導線寬度w；(4)導線厚度t等。因而可知，特性阻抗與基板材料(覆銅板材)關系是非常密切的，故選擇基板材料在PCB設計中非常重要。在文獻(1)中，我們已經探討了幾個重要的參數對Z0的影響。下面我們繼續探討其它因素對Z0的影響。

　　2銅箔厚度對Z0的影響

　　從公式(1)可看出銅箔厚度也是影響Z0的一個重要因素，銅箔厚度越大，其特性阻抗就越小，但其變化范圍相對是較小的。如圖2所示。

　　從圖2可知，盡管采用越薄的銅箔厚度可得到較高的Z0值，但是，其厚度變化對Z0值的貢獻不大，同時，其厚度變化范圍也不大，因此采用薄銅箔對Z0的貢獻，不如說是由于薄銅箔對制造精細導線來提高或控制特性阻抗值而作出貢獻更為確切得多。實際上，PCB產品的導線厚度，不僅只是覆銅箔的厚度，它還包括了在制板加工過程中帶來厚度的變化。3PCB生產加工對Z0的影響

　　當選定基板材料類型和完成高頻線路或高速數字線路的PCB設計之后，則預計的特性阻抗值已確定，但是真正要做到預計的特性阻抗或實際控制控制在預計的特性阻抗值的范圍內，只有通過PCB生產加工過程的管理與控制才能達到。PCB生產加工對Z0的影響之因素非常多，也很復雜。今后PCB的Z0控制必將成為PCB生產中最為突出和最大難題之一。

　　4導線寬度控制的意義

　　4.1導線寬度控制的關鍵

　　導線寬度控制的關鍵是如何通過PCB生產加工全過程的管理與控制來達到OEM設計所預定的Z0值或控制Z0值在變化范圍內。由于合適選定基板材料和完成PCB設計之后，介質常數、介質寬度和導線寬度等三個參數基本上相對固定下來了。盡管導線寬度和介質厚度會受到PCB生產加工的影響，加濕法加工中的機械拋刷和微蝕刻會使銅箔層變薄些是有利于Z0的提高，而制造埋盲孔互連和外層圖形的孔化與電鍍又會使銅箔層加厚是不利于Z0的，因而應注意加以控制。但是，導線的寬度則完全是由PCB生產加工出來的。同時，高頻信號和高速數字信號傳輸的精細導線的制造仍是當今高密度互連PCB的關鍵技術。而精細導線制造的實質，從根本上來說就是精細導線的控制與管理問題。所以，作為信號傳輸線應用的PCB制造，應把導線寬度的制造作為關鍵問題來對待。

　　4.2導線寬度控制的含義

　　高頻信號和高速數字(邏輯)信號從驅動元件傳送出來并經過PCB信號傳輸線送到接受元件處，這就是一種信號傳輸過程。在這個信號傳輸過程中，如果PCB的信號傳輸過程中，PCB的信號傳輸線之特性阻抗值Z與這兩個元件的“電子阻抗”完全相匹配(實際上接受元件的阻抗要大于驅動元件的阻抗才合理)時，則所傳送的信號之能量便得到了完整的傳輸，這種情況是理想狀態。如果PCB的傳輸線Z0不匹配而產生變化偏差或變化偏差過大，則將會在傳輸信號的過程中發生反射、散失、衰減或時間延遲等問題。嚴重時，甚至會引起完全“失真”而接受不到原來的真實信號。

　　因此，高頻信號和高速數字信號要在PCB傳輸線中得到完整的傳輸，就必須做到在PCB傳輸線上的任何一點處的特性阻抗值Z0應是均等才行，這就意味著在PCB傳輸線的任何一處的橫截面積(包括無缺陷而理想的)都必須是相同的。但是，在PCB傳輸線的實際生產加工中是不可能完全做到的。所以，PCB中傳輸線的控制，在基板材料確定之后，在雙面板中，實質上是傳輸線的橫截面積尺寸一致性的控制問題；在多層板中實質上是傳輸線橫截面積尺寸一致性和介質厚度均勻性的控制，但主要還是傳輸線截面積尺寸一致性和完整性問題。由于PCB傳輸線的加工過程所涉及的加工工序和工藝參數(特別是動態工藝參數)太多，即使采用全自動化生產加工也是難于做到的。因此人們只能把生產加工的PCB傳輸線整個橫截面積尺寸控制在規定的范圍之內，所以PCB傳輸線的Z0也只能根據應用對象而控制在設計規定數值之內。

　　傳統上，PCB導線寬度偏差允許為±20%，這對于非傳輸線的常規電子產品用的PCB導線(導線長度小于信號波長的七分之一)來說，已經能滿足要求了。但是對于有Z0控制要求的信號傳輸線來說，PCB導線寬度偏差±20%已不能滿足要求，因此，此時的誤差一般已超過±10%，而且Z0誤差還會隨著介質厚度減薄而偏大。

　　從上述理論計算中可以得出這樣的認識和結論，傳統的線寬誤差精度控制規定已不適用于傳輸線之要求了，必須根據傳輸線傳輸信號的特性來確定傳輸線寬度的誤差精度。如傳輸高頻信號的傳輸線，其精度控制要嚴得多，才能達到較小的Z0偏差值。這些要求可以根據公式(1)和已知的介質厚度、導線厚度和Z0偏差值而計算出導線的精度(誤差)控制大小。

　　參考文獻

　　1田麗.影響印刷電路板(PCB)的特性阻抗因素及對策.自動化與儀器化表［J］，2003(2)：48-49

　　2張家亮.改善PCB基材介電性能的材料動態.印刷電路信息［J］，2000.(4): 11-14

　　3祝大同.PCB基板材料走向高性能、系列化.印刷電路信息［J］，.2000.(4): 16-21

　　4Motorala application Note.Transmission Lion Effects in PCB Application［J］，AN1051

　　
摘自　自動化與儀器儀表

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