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(jì)建設(shè)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(huì)超過20％，印刷電路板工業(yè)依附整個(gè)電子工業(yè)也會(huì)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。印刷電路隨著電子設(shè)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(shè)備中電氣的互連件—PCB中的金屬導(dǎo)線，己不僅只是電流流通與否的問題．而是作為信號(hào)傳輸線的作用。也就是說．對高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)的傳輸用PCB的電氣測試．不僅要測量電路(或網(wǎng)絡(luò))的通、斷和短路等是否符合要求，而且還應(yīng)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(hào)傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號(hào)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(hào)。本文就實(shí)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(jìn)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(shí)際中廣泛采用，它的外層為控制阻抗的信號(hào)線面，它和與之相鄰的基準(zhǔn)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(jì)算公式為：

Z0=87/SQRT(εr+1.41)×ln[(5.98h)/(0.8w+t)] (1)
Z0：印刷導(dǎo)線的特性阻抗：
εr：絕緣材料的介電常數(shù)：
h：印刷導(dǎo)線與基準(zhǔn)面之間的介質(zhì)厚度：
w：印刷導(dǎo)線的寬度：
t：印刷導(dǎo)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(dǎo)線寬度w;(4)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)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(hào)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(hào)傳輸速度必須降低材料的介質(zhì)常數(shù)。同時(shí)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(biāo)取了對數(shù)刻度．也即頻率變化范圍為0.1～10000(MHz)。

3 導(dǎo)線寬度及厚度的影響

導(dǎo)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(dǎo)線寬度的關(guān)系。

圖3 導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)線寬度改變0.025mm時(shí)．就會(huì)引起阻抗值相應(yīng)的變化5～6Ω。而在實(shí)際生產(chǎn)中如果控制阻抗的信號(hào)線面使用18um銅箔，可允許的導(dǎo)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(dǎo)線寬度變化公差為±0.003 mm。由此可見．生產(chǎn)中所允許的導(dǎo)線寬度變化會(huì)導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變。導(dǎo)線的寬度是設(shè)計(jì)者根據(jù)多種設(shè)計(jì)要求確定的．它既要滿足導(dǎo)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(yīng)該保證線寬符合設(shè)計(jì)要求，并使其變化在公差范圍內(nèi)．以適應(yīng)阻抗的要求。

導(dǎo)線厚度也是根據(jù)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線表面清潔，不應(yīng)粘有殘余物和修板油黑，而導(dǎo)致電鍍時(shí)銅沒有鍍上．使局部導(dǎo)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(dǎo)線厚度，導(dǎo)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(gè)主要因素。因?yàn)閷?dǎo)線寬度和材料的介電常數(shù)在生產(chǎn)前就已經(jīng)確定．導(dǎo)線厚度工藝要求也可作為一個(gè)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(dāng)介質(zhì)厚度改變0.025mm時(shí)．就會(huì)引起阻抗值相應(yīng)的變化+5～8Ω。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中．所允許的每層層壓厚度變化將導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變。在實(shí)際生產(chǎn)中是選用不同型號(hào)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(yīng)工作頻率下絕緣材料的介電常數(shù)，然后利用公式計(jì)算出相應(yīng)的Z0，再根據(jù)用戶提出的導(dǎo)線寬度值和計(jì)算值Z0，通過圖3查出相對應(yīng)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(hào)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(shè)計(jì)比起帶狀線設(shè)計(jì)時(shí)，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(hào)傳輸大多采用微帶線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)．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(yán)格控制的高頻線路來說．對覆銅板的介質(zhì)厚度的誤差應(yīng)提出嚴(yán)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(gè)加工因素．特別是與多層層壓加工密切相關(guān)．因此．也應(yīng)嚴(yán)密加以控制。

5 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)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(huì)引起特性阻抗值發(fā)生變化.另外特性阻抗值還會(huì)與其它生產(chǎn)因素有關(guān),所以，為了實(shí)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(shí)際生產(chǎn)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)者提出的要求，調(diào)整各個(gè)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。