標題: 影響印刷電路板（PCB）的特性阻抗因素及對策 [打印本頁]
作者: qq8426030 時間: 2014-4-25 22:13
標題: 影響印刷電路板（PCB）的特性阻抗因素及對策
摘要：本文給出了印刷電路板(PCB)特性阻抗的定義，分析了影響特性阻抗的因素及PCB的構(gòu)造參數(shù)對特性阻抗精度的影響．最后給出了一些對策。
0 引 言
我國正處在以經(jīng)濟建設為中心和改革開放的大好形勢下，電子工業(yè)的年增長率會超過20％，印刷電路板工業(yè)依附整個電子工業(yè)也會隨勢而漲．而且超過20％的增長速度。世界電子工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化．正為印刷電路的發(fā)展帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。印刷電路隨著電子設備的小型化、數(shù)字化、高頻化和多功能化發(fā)展．作為電子設備中電氣的互連件—PCB中的金屬導線，己不僅只是電流流通與否的問題．而是作為信號傳輸線的作用。也就是說．對高頻信號和高速數(shù)字信號的傳輸用PCB的電氣測試．不僅要測量電路(或網(wǎng)絡)的通、斷和短路等是否符合要求，而且還應該測量特性阻抗值是否在規(guī)定的合格范圍內(nèi)。只有這兩方向都合格了．印刷板才符合要求。
印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)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。本文就實際中常用的表面微帶線結(jié)構(gòu)多層板的特性阻抗控制的問題進行討論。
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。
圖1表面微帶線結(jié)構(gòu)
特性阻抗的計算公式為：
Z0=87/SQRT(εr+1.41)×ln[(5.98h)/(0.8w+t)] (1)
Z0：印刷導線的特性阻抗：
εr：絕緣材料的介電常數(shù)：
h：印刷導線與基準面之間的介質(zhì)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(zhì)常數(shù)εr;(2)介質(zhì)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(guān)系是非常密切的，故選擇基板材料在PCB設計中非常重要。
2 材料的介電常數(shù)及其影響
材料的介電常數(shù)是材料的生產(chǎn)廠家在頻率為1 MHz下測量確定的。不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同種材料由于其樹脂含量不同而不同。本研究以環(huán)氧玻璃布為例．研究了介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系．如圖2所示。
圖2 介電常數(shù)與頻率的關(guān)系
由圖2可知，介電常數(shù)是隨著頻率的增加而減小，所以在實際應用中應根據(jù)工作頻率確定材料的介電常數(shù)，參照圖2．一般選用平均值即可滿足要求。信號在介質(zhì)材料中傳輸速度將隨著介質(zhì)常數(shù)增加而減小。因此要獲得高的信號傳輸速度必須降低材料的介質(zhì)常數(shù)。同時要獲得高的傳輸速度就必須采用高的特性阻值，而高的特性阻抗必須選用低的介質(zhì)常數(shù)材料。
圖中橫坐標取了對數(shù)刻度．也即頻率變化范圍為0.1～10000(MHz)。
3 導線寬度及厚度的影響
導線寬度是影響特性阻抗變化的主要參數(shù)之一。圖3以表面微帶線為例．說明阻抗值與導線寬度的關(guān)系。
圖3 導線寬度、介質(zhì)厚度與特性阻抗的關(guān)系
從圖3中可以看到當導線寬度改變0.025mm時．就會引起阻抗值相應的變化5～6Ω。而在實際生產(chǎn)中如果控制阻抗的信號線面使用18um銅箔，可允許的導線寬度變化公差為±0.015mm。如果控制阻抗的變化公差為35um銅箔，可允許的導線寬度變化公差為±0.003 mm。由此可見．生產(chǎn)中所允許的導線寬度變化會導致阻抗值發(fā)生很大的改變。導線的寬度是設計者根據(jù)多種設計要求確定的．它既要滿足導線載流量和溫升的要求．又要得到所期望的阻抗值。這就要求生產(chǎn)者在生產(chǎn)中應該保證線寬符合設計要求，并使其變化在公差范圍內(nèi)．以適應阻抗的要求。
導線厚度也是根據(jù)導體所要求的載流量以及允許的溫升確定的。在生產(chǎn)中為了滿足使用要求．鍍層厚度一般平均為25um。導線厚度等于銅箔厚度加上鍍層厚度。需要注意的是電鍍前一度要保證導線表面清潔，不應粘有殘余物和修板油黑，而導致電鍍時銅沒有鍍上．使局部導線厚度發(fā)生變化．影響特性阻抗值。另外，在刷板過程中，一定要小心操作，不要因此而改變了導線厚度，導致阻抗值發(fā)生變化。
4 介質(zhì)厚度(h)的影響
從公式(1)中可看出，特性阻抗Z0是與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比的，因而可知介質(zhì)厚度越厚，其Z0越大．所以介質(zhì)厚度是影響特性阻值的另一個主要因素。因為導線寬度和材料的介電常數(shù)在生產(chǎn)前就已經(jīng)確定．導線厚度工藝要求也可作為一個定值．所以控制層壓厚度(介質(zhì)厚度)是生產(chǎn)中控制特性阻抗的主要手段。從圖3可以得出特性阻抗值與介質(zhì)厚度變化之間的關(guān)系。由圖中可以看出．當介質(zhì)厚度改變0.025mm時．就會引起阻抗值相應的變化+5～8Ω。而在實際生產(chǎn)過程中．所允許的每層層壓厚度變化將導致阻抗值發(fā)生很大的改變。在實際生產(chǎn)中是選用不同型號的半固化片作為絕緣介質(zhì)．根據(jù)半固化片的數(shù)量確定絕緣介質(zhì)的厚度。以表面微帶線為例．生產(chǎn)過程中可以參照圖2，確定相應工作頻率下絕緣材料的介電常數(shù)，然后利用公式計算出相應的Z0，再根據(jù)用戶提出的導線寬度值和計算值Z0，通過圖3查出相對應的介質(zhì)厚度，然后根據(jù)所選用的覆銅板和銅箔的厚度確定半固化片的型號和張數(shù)。
圖4不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)厚度對Z0的影響
從圖4可以看出．微帶線結(jié)構(gòu)的設計比起帶狀線設計時，在相同介質(zhì)厚度和材料下，具有較高的特性阻抗值．一般要大20～40Ω。因此．對高頻和高速數(shù)字信號傳輸大多采用微帶線結(jié)構(gòu)的設計。同時．特性阻抗值將隨著介質(zhì)厚度的增加而增大。所以．對于特性阻抗值嚴格控制的高頻線路來說．對覆銅板的介質(zhì)厚度的誤差應提出嚴格要求，一般來說，其介質(zhì)厚度變化不超過10％。對于多層板來說．介質(zhì)厚度還是個加工因素．特別是與多層層壓加工密切相關(guān)．因此．也應嚴密加以控制。
5 結(jié)論
在實際生產(chǎn)中，導線的寬度、厚度、絕緣材料的介電常數(shù)和絕緣介質(zhì)厚度的稍微改變都會引起特性阻抗值發(fā)生變化.另外特性阻抗值還會與其它生產(chǎn)因素有關(guān),所以，為了實現(xiàn)對特性阻抗的控制，生產(chǎn)者必須了解影響特性阻抗值變化的因素，掌握實際生產(chǎn)條件，根據(jù)設計者提出的要求，調(diào)整各個工藝參數(shù)，使其變化在所允許的公差范圍內(nèi)，以得到期望的阻抗值。
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