分析影响PCB阻抗的主要因素和阻抗影响不同程度

摘要：通过对不同线宽、不同介质厚度、不同介电常数变化、线路层棕化、线路补偿等影响因素研究，分析影响PCB阻抗的主要因素和阻抗影响不同程度，为PCB高精度阻抗设计提供最佳建议方案。

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前言

在IC（集成电路）集成应用中，装配后的PCBA（印制电路板组装件）信号传输频率（发射）高到某一定值后，将受到PCB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。这表明在高集成PCB导线所流通的不是电流，而是方波讯号或脉冲在能量上的传输，这种讯号传输时所受到的阻力称之为“阻抗”。特别是在电子通信业对高频、高速信号等技术的快速推广及运用背景下，客户对PCB的要求不仅仅是满足物理性能，对PCB电气性能的要求日益增加，如7%、5%阻抗公差，插入损耗控制等等。PCB制造业面临的挑战也不仅仅是加工工艺能力的考验，更多将是对设计能力的考验。由此可见，阻抗在IC高度集成化的PCB应用中越来越重要。

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试验方法

1.1  设备与材料

设备：CITS900S4 Polar阻抗测试仪；TEKTRONIX阻抗测试仪。

材料：规格为1080、2313、2116、7628的半固化片；0.10 mm内层芯板。

1.2  试验项目

（1）不同线宽对单线阻抗、差分阻抗的影响；

（2）不同介质厚度对单线阻抗、差分阻抗的影响；

（3）不同εr（介电常数）变化对单线阻抗、差分阻抗的影响；

（4）介质厚度管控之阻抗条和单元内阻抗控制区残铜率的影响；

（5）线路层棕化（或黑化）对阻抗值的影响；

（6）线路补偿对阻抗的影响。

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结果与讨论

2.1  线宽变化对单线阻抗、差分阻抗的影响

线宽控制是影响PCB阻抗控制精度的重要因素。采用不同半固化片、阻抗线宽测试对阻抗的影响，如表1、表2所列。

半固化厚度越厚，线宽的宽度变化对阻抗值的影响越小。半固化厚度越薄，线宽的宽度变化对阻抗值的影响越大。特别是介质层中如果使用单张1080或更薄的半固化片作为阻抗线的介质层时，需要特别注意管控阻抗线宽的波动范围。

2.2  介质厚度对单线阻抗、差分阻抗的影响

介质厚度对阻抗精度有很大的影响，介质厚度包括芯板的介质层厚度和半固化片压合后的厚度。采取不同半固化片和介质厚度分析对阻抗的影响，如表3、表4所列。

介质层厚度越薄，介质层厚度的波动对阻抗线阻值的影响越大；介质层厚度越厚，介质层厚度的波动对阻抗线阻值的影响越小；特别是介质层中如果使用单张1080或更薄的半固化片作为阻抗线的参考层对应的介质层时，需要特别注意管控此介质层厚度的波动范围。

2.3  不同ε（介电常数）对单线阻抗、差分阻抗的影响

采取不同半固化片的介电常数分析对阻抗的影响，如表5、表6所列。

介电常数每变化0.1时，对单线阻抗线阻抗值的影响约为10%；对差分阻抗线的阻抗值影响约为8%。 

2.4  介质厚度管控之阻抗条和单元内阻抗控制区的残铜率对阻抗的影响

介质厚度＝半固化片厚度-铜厚*（100%-残铜率），因此，在相同半固化片结构下，影响介质层厚度的其中一个主要因素为残铜率，而残铜率与Gerber图形设计相关联。因此要区分阻抗线所在位置的残铜率大小。

以下为不同残铜率对介质厚度的影响度。以1080半固化片的理论厚度0.083 mm，内层铜厚35 μm为例，不同的残铜率变化对介质厚度的影响度如表7所述。

从表7可知，残铜率每改变10%，介质厚度将改变4.2%，对差分阻抗线宽/线距（0.10 mm/0.152 mm）的阻抗值影响度为2.08~2.38 ohm。若阻抗中值为76 ohm，阻抗公差按±10%（7.6ohm）管控，则残铜率每改变10%时，对阻抗值偏差的贡献度为26%~31%。

为了让阻抗测试专用测试板上的阻抗值（CITS900S4 Polar阻抗测试仪只能使用专用测试板）更接近于单元内的阻抗值，在工程设计时阻抗测试板与单元内的残铜率应尽量保持一致。当阻抗测试板的残铜率与单元内的残铜率极差达到5%以上时，阻抗测试板上的阻抗线宽设计与单元内的阻抗线宽设计需分开制作。如图1这种阻抗线分布的情形，在计算残铜率时不能按整个单片的面积大小来计算残铜率，而应该根据阻抗线分布的区域铜面范围来计算残铜率。

2.5  内层芯板棕化对阻抗值的影响

为了增加内层铜面与半固化片的结合力，压合之前需要对内层图形做棕化或黑化。通过对铜表面进行微蚀，同时对阻抗线也会作相应的蚀刻处理，经切片分析棕化前与棕化后将有3 μm~5μm的线宽减少量。对于精细密的阻抗线的阻抗值影响约3.1Ω。棕化微蚀对阻抗值的影响度比重占阻抗公差的30%以上，因此，工程在阻抗线补偿时需要增加棕化补偿（通常是补偿值的1/4），内层铜厚为35 mm时正常补偿0.02 mm后再加补0.005 mm。

2.6  线路补偿对阻抗的影响

图2是高亮显示的阻抗线，如果补偿量与其他板内的线一样进行补偿，因其分布在相对独立的区域，蚀刻后的板容易出现局部阻抗线线幼的问题，阻抗会局部偏大。

图2高亮显示的阻抗线工作稿设计线宽/线距为0.094 mm/0.109 mm，目标管控阻抗值（85±8.5）Ω。使用TEKTRONIX阻抗测试仪测量板内此组阻抗线，阻值为91.25Ω~95.5Ω，最大值超出阻抗管控规格，同时阻抗值的波动范围为4.25Ω，如图3所示。

从切片数据（图4）分析来看，在各项影响阻抗值的因素中，外层线宽超出管控值的下限，介质厚度超出上限，其它可能产生变异的因素数据相对比较稳定，从阻抗分析的影响因素来看，主要是线幼和介质层超厚导致阻抗偏大。

将外层切片数据代入阻抗计算模型，如图5所示。对阻抗各影响因素进行层别分析，可以发现，当介质层很薄时，阻抗线宽对阻值的影响度很大。因此，在工程设计时对不同的阻抗线宽应进行区分补偿，特别是密集区、稀疏区、独立区应该进行分段补偿。即使是同一组线或同一根线，也需要按其在PCB上的区域分布进行区分补偿，这样才能使阻抗值的波动范围尽量的减小。

2.7  小结

通过上述试验和分析，影响PCB阻抗的主要因素和阻抗影响不同程度，如表8所列。

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结论

通过上述试验和分析，高精度阻抗在设计时应根据不同半固化片类型来管控阻抗，建议管控方案如下：

（1）当半固化片的厚度越薄时，需要管控介质层厚度的波动范围，主要从阻抗线的图形分布，来确定残铜率的计算。

（2）当半固化片的厚度越薄时，需要管控阻抗线宽的波动范围，主要从阻抗线的图形分布，来确定分段补偿的方式。同时对于内层阻抗，根据棕化前处理的微蚀量对阻抗线宽进行补偿。

（3）当ε值偏离真实的ε值达到0.5时，对阻抗值的公差范围影响度接近50%，因此在实际生产中，应根据实际生产结果来反推ε值，让ε值稳定在0.1的波动范围。