1改鲫、電阻

交流電流流過一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，所受到的阻力稱為阻抗 （Impedance），符號(hào)為 Z像棘，單位還是 Ω稽亏。此時(shí)的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別，除了電阻的阻力以外缕题，還有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力問題截歉。

為區(qū)別直流電的電阻，將交流電所遇到之阻力稱為阻抗 （Z）烟零。
Z= sqrt(R2) +（XL -XC）2

2瘪松、阻抗（Z）

近年來，IC 集成度的提高和應(yīng)用锨阿，其信號(hào)傳輸頻率和速 度越來越高宵睦，因而在印制板導(dǎo)線中， 信號(hào)傳輸 （發(fā)射） 高到 某一定值后群井， 便會(huì)受到印制板導(dǎo)線本身的影響状飞， 從而導(dǎo)致傳輸信號(hào)的嚴(yán)重失真或完全喪失。這表明书斜， PCB 導(dǎo)線所“流通”的“東西”并不是電流诬辈，而是方波訊號(hào)或脈沖在能量上的傳輸。

3荐吉、特性阻抗控制（Z0 ）

上述此種“訊號(hào)”傳輸時(shí)所受到的阻力焙糟，另稱為“特性阻 抗”，代表符號(hào)為 Z0样屠。所以穿撮， PCB 導(dǎo)線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問題還不夠痪欲，還要控制導(dǎo)線的特性阻抗問題悦穿。就是說，高速傳輸业踢、高頻訊號(hào)傳輸?shù)膫鬏斁€栗柒，在質(zhì)量上要比傳輸導(dǎo)線嚴(yán)格得多。不再是“開路/短路”測(cè)試過關(guān)知举，或者 缺口瞬沦、毛刺未超過線寬的 20%，就能接收雇锡。必須要求測(cè)定特性阻抗值逛钻，這個(gè)阻抗也要控制在公差以內(nèi)，否則锰提，只有報(bào)廢曙痘，不得返工芳悲。

訊號(hào)傳播與傳輸線

1、信號(hào)傳輸線定義

（1）根據(jù)電磁波的原理屡江，波長（λ）越短芭概，頻率（f）越高赛不。兩者的乘積為光速惩嘉。即 C= λ.f ＝3×1010 cm/s

（2）任何元器件，盡管具有很高的信號(hào)傳輸頻率踢故，但經(jīng) 過 PCB 導(dǎo)線傳輸后文黎，原來很高的傳輸頻率將降下來，或時(shí)間延遲了殿较。因此耸峭，導(dǎo)線長度越短越好。

（3）提高 PCB 布線密度或縮短導(dǎo)線尺寸是有利的淋纲。但是劳闹，隨著元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短洽瞬，導(dǎo)線長度接近信號(hào)波長（速度）的某一范圍本涕，此時(shí)元件在 PCB 導(dǎo) 線傳輸時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)明顯的“失真”伙窃。

（4）IPC－2141 的 3.4.4 提出： 當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)菩颖， 如果導(dǎo)線長度接近信號(hào)波長的1/7 時(shí)，此時(shí)的導(dǎo)線被視為信號(hào)傳輸線为障。

（5）舉例：

某元件信號(hào)傳輸頻率（f）為 10MHZ 晦闰， PCB 上導(dǎo)線長度為 50cm，是否應(yīng)考慮特性阻抗控制鳍怨？

解： C = λ*f ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm

導(dǎo)線長度/信號(hào)波長＝50/3000＝1/60

因?yàn)椋?/60《1/7呻右，所以此導(dǎo)線為普通導(dǎo)線，不必考慮特性阻抗問題鞋喇。

在電磁波理論中声滥，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信 號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度 VS 與光速 C 成正比，而與傳輸介質(zhì)的 介電常數(shù)成反比确徙。
VS ＝C/√εr

當(dāng) εr ＝1 時(shí)醒串，信號(hào)傳輸達(dá)到了光的傳播速度，即 3 ×1010 cm/s 鄙皇。

2芜赌、傳輸速率與介電常數(shù)
不同板材在 30MHZ 下的信號(hào)傳輸速度
介質(zhì)材料 Tg（ °C ） 介電常數(shù)信號(hào)傳輸速度（m/?s）
真空 / 1.0 300.00
聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74
氰酸酯樹脂 225 3.0 173.21
聚四氟乙烯樹脂＋E 玻璃布 / 2.6 186.25
氰酸酯樹脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
聚酰亞胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
石英 / 3.9 151.98
環(huán)氧樹脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
鋁 / 9.0 100.00

由上表可見，隨著介電常數(shù)（ εr ）的增加伴逸，信號(hào)在介 質(zhì)材料中的傳輸速度減小缠沈。要獲得高的信號(hào)傳輸速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗洲愤，必須選用低的介電常數(shù)（εr ）材料颓芭；聚四氟乙烯（TeflON）的介電常數(shù)（εr ）最小，傳輸速 度最快柬赐。

FR-4 板材亡问，是由環(huán)氧樹脂和 E 級(jí)玻璃布聯(lián)合組成，介電常數(shù)（εr ）為 4.7肛宋。信號(hào)傳輸速度為 138m/μs州藕。改變樹脂體系，可較易改變介電常數(shù)（εr ）酝陈。

特性阻抗值控制緣由

1床玻、緣由一
電子設(shè)備（電腦、 通信機(jī)）操作時(shí)沉帮，驅(qū)動(dòng)元件（Driver）所發(fā)出的信號(hào)锈死，將通過 PCB傳輸線到達(dá)接收元件 （Receiver）。信號(hào)在印制板的信號(hào)線中傳輸時(shí)穆壕，其特性阻抗值 Z0 必須與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配待牵，信號(hào)中的“能量”才會(huì)得 到完整的傳輸。

2粱檀、緣由二
一旦出現(xiàn)印制板質(zhì)量不良洲敢，Z0 超出公差時(shí)，所傳的信號(hào) 會(huì)出現(xiàn)反射（Reflection）茄蚯、散失（Dissipation）压彭、衰減 （Attenuation）或延誤（Delay）等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)傳錯(cuò)信號(hào)渗常，死機(jī)壮不。

3、緣由三
嚴(yán)格選擇板材和控制生產(chǎn)流程皱碘，多層板上的 Z0 才能符合 客戶所要求的規(guī)格询一。元件的電子阻抗越高時(shí)，其傳輸速度才會(huì)越快癌椿，因而 PCB 的 Z0 也要隨之提高健蕊，方能達(dá)到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板踢俄，才算得上是高速或高頻訊號(hào)所要求的合格品缩功。

特性阻抗 ZO 與板材及制程關(guān)系

微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗 Z0 計(jì)算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

其中：εr －介電常數(shù) H－介質(zhì)厚度 W－導(dǎo)線寬度 T－導(dǎo)線厚度板材的 εr 越低，越容易提高 PCB 線路的 Z0 值都办，而與高速 元件的輸出阻抗值匹配嫡锌。

1虑稼、特性阻抗 Z0 與板材的 εr 成反比

Z0 隨著介質(zhì)厚度的增加而增大。因此势木，對(duì) Z0 嚴(yán)格的高頻線路來說蛛倦，對(duì)覆銅板基材的介質(zhì)厚度的誤差，提出了嚴(yán)格的 要求啦桌。通常溯壶，介質(zhì)厚度變化不得超過 10％。

2震蒋、介質(zhì)厚度對(duì)特性阻抗 Z0 的影響

隨著走線密度的增加茸塞，介質(zhì)厚度的增加會(huì)引起高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線躲庄，隨 著導(dǎo)體布線密度的增加查剖，應(yīng)減小介質(zhì)厚度，以消除或降低電磁干擾所帶來的雜信或串?dāng)_問題噪窘、或大力降低 εr 笋庄，選用低 εr 基材。

根據(jù)微帶線結(jié)構(gòu)的特性阻抗 Z0 計(jì)算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

銅箔厚度（T）是影響 Z0 的一個(gè)重要因素倔监，導(dǎo)線厚度越 大直砂，其 Z0 越小。但其變化范圍相對(duì)較小浩习。

3静暂、銅箔厚度對(duì)特性阻抗 Z0 的影響

越薄的銅箔厚度，可得到較高的 Z0 值谱秽，但其厚度變化對(duì) Z0 貢獻(xiàn)不大洽蛀。采用薄銅箔對(duì) Z0 的貢獻(xiàn)，還不如說是由于薄銅箔對(duì)制造 精細(xì)導(dǎo)線疟赊，來提高或控制 Z0而作出貢獻(xiàn)更為確切郊供。

根據(jù)公式：

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

線寬 W 越小，Z0 越大近哟；減少導(dǎo)線寬度可提高特性阻抗驮审。

線寬變化比線厚變化對(duì) Z0 的影響明顯得多。

4吉执、導(dǎo)線寬度對(duì)特性阻抗 Z0 的影響

Z0 隨著線寬 W 變窄而迅速增加疯淫，因此，要控制 Z0 戳玫，必須嚴(yán) 格控制線寬熙掺。目前，大多數(shù)高頻線路和高速數(shù)字線路的信號(hào)傳輸線寬 W 為 0.10 或 0.13mm量九。傳統(tǒng)上适掰，線寬控制偏差為±20％颂碧。對(duì)非傳輸線的常規(guī)電子產(chǎn)品的 PCB 導(dǎo)線（導(dǎo)線長《 信號(hào)波長的 1/7）可滿足要求，但對(duì)有 Z0 控制的信號(hào)傳輸線类浪， PCB 導(dǎo)線寬度偏差±20％载城， 已不能滿足要求。因?yàn)榉丫停藭r(shí)的Z0 誤差已超過±10%诉瓦。

舉例如下：
某 PCB 微帶線寬度為 100μm，線厚為 20μm力细，介質(zhì)厚度為 100μm睬澡，假設(shè)成品 PCB 銅厚度均勻不變，問線寬變化±20%眠蚂，Z0 能否符合±10%以內(nèi)煞聪？

解：根據(jù)公式

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

代入：線寬 W0 ＝ 100μm， W1 ＝ 80μm逝慧， W2 ＝ 120μm昔脯，線厚 T＝20μm，介質(zhì)厚度H＝100μm笛臣，則：Z01 /Z02 =1.20

所以云稚，Z0 剛好±10%，不能達(dá)到《±10%沈堡。

要達(dá)到特性阻抗 Z0 《±10%静陈，導(dǎo)線寬偏差必須進(jìn)一步縮小，必須遠(yuǎn)小于±20%才行诞丽。

同理鲸拥，要控制 Z0 ≤5％，導(dǎo)線寬公差必須控制≤±10%率拒。

因此崩泡，我們就不難理解，為什么聚四氟乙烯 PCB 和某些 FR-4PCB猬膨，要求線寬±0.02mm角撞，其原因就是要控制特性阻抗 Z0 值。

特性阻抗控制印制板工藝控制

底片制作管理勃痴、檢查

恒溫恒濕房（21±2°C谒所，55 ± 5%），防塵沛申；線寬工藝補(bǔ)償劣领。

2、拼板設(shè)計(jì)

拼板板邊不能太窄铁材，鍍層均勻尖淘，電鍍加假陰極奕锌，分散電 流；

設(shè)計(jì)拼板板邊測(cè)試 Z0 的標(biāo)樣（coupon）村生。

3惊暴、蝕刻

嚴(yán)格工藝參數(shù)，減少側(cè)蝕趁桃，進(jìn)行首檢辽话；

減少線邊殘銅、銅渣卫病、銅碎油啤；

檢查線寬，控制在所要求的范圍內(nèi)（ ± 10% 或± 0.02mm）蟀苛。

4益咬、 AOI 檢查

內(nèi)層板務(wù)必找出導(dǎo)線缺口、凸口屹逛，對(duì) 2GHZ 高速訊號(hào)础废，即 使 0.05mm 的缺口，也必須報(bào)廢罕模；控制內(nèi)層線寬和缺陷是關(guān)鍵。

5帘瞭、層壓
真空層壓機(jī)淑掌，降低壓力減少流膠，盡量保持較多的樹脂量蝶念，因?yàn)闃渲绊?εr 抛腕，樹脂保存多些， εr 會(huì)低些媒殉〉５校控制層壓厚度公差。因?yàn)榘搴癫痪鶆蛲⑷兀捅砻鹘橘|(zhì)厚度變化全封，會(huì)
影響Z0 。

6桃犬、選好基材
嚴(yán)格按客戶要求的板材型號(hào)下料刹悴。型號(hào)下錯(cuò)， εr 不對(duì)攒暇，板厚錯(cuò)土匀，制造 PCB 過程全對(duì)，同樣 報(bào)廢形用。因?yàn)?Z0 受 εr 影響大就轧。

7证杭、阻焊
板面的阻焊會(huì)使信號(hào)線的 Z0 值降低 1～3Ω，理論上說阻焊 厚度不宜太厚妒御，事實(shí)上影響并不很大躯砰。銅導(dǎo)線表面所接觸的是空氣（ εr ＝1），所以測(cè)得 Z0 值較高携丁。但在阻焊后
測(cè) Z0 值會(huì)下降 1～3Ω琢歇，原因是阻焊的 εr 為 4.0，比空氣高出很多梦鉴。

8李茫、吸水率
成品多層板要盡量避免吸水，因?yàn)樗?εr ＝75肥橙，對(duì) Z0 會(huì)帶 來很大的下降和不穩(wěn)的效果魄宏。

小結(jié)
多層板信號(hào)傳輸線的特性阻抗 Z0 ，目前要求控制范圍通 常是：50Ω±10%存筏， 75Ω ±10%宠互，或 28Ω±10% 。

控制住的變化范圍椭坚，必須考慮四大因素：
（1）信號(hào)線寬 W予跌；
（2）信號(hào)線厚 T；
（3）介質(zhì)層厚度 H善茎；
（4）介電常數(shù) εr 券册。

影響最大的是介質(zhì)厚度，其次是介電常數(shù)垂涯，導(dǎo)線寬度烁焙， 最小是導(dǎo)線厚度。在選定基材后耕赘，εr 變化很小骄蝇，H 變化也小，T 較易控制操骡，而線寬 W 控制在±10%是困難的九火，且線寬問題又有導(dǎo)線上針孔、 缺口当娱、凹陷等問題吃既。從某種意義上說，控制 Z0跨细，最有效最重要的方法是控制調(diào)整線寬鹦倚。