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PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制
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2017-12-02
lantian12
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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，因而在印制板导线中，信号传输（发射）高到 某一定值后，便会受到印制板导线本身的影响，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 ＝3×1010 cm/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 ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/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 ×1010 cm/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/μs）
真空 / 1.0 300.00
聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
热固性聚丙醚 210 2.5 189.74
氰酸酯树脂 225 3.0 173.21
聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25
氰酸酯树脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
聚酰亚胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
石英 / 3.9 151.98
环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
铝 / 9.0 100.00
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 +1.41 ln5.98H / （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 +1.41 ln5.98H / （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。
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，因而在印制板导线中，信号传输（发射）高到 某一定值后，便会受到印制板导线本身的影响，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 ＝3×1010 cm/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 ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/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 ×1010 cm/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/μs）
真空 / 1.0 300.00
聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
热固性聚丙醚 210 2.5 189.74
氰酸酯树脂 225 3.0 173.21
聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25
氰酸酯树脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
聚酰亚胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
石英 / 3.9 151.98
环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
铝 / 9.0 100.00
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 +1.41 ln5.98H / （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 +1.41 ln5.98H / （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。
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