影響PCB的特性阻抗控制問題的分析和解決措施

我國正處在以經(jīng)濟建設(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(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(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(zhǔn)面之間用絕緣材料隔開。

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(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。

介電常數(shù)是隨著頻率的增加而減小，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工作頻率確定材料的介電常數(shù)，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。
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。

當(dāng)導(dǎo)線寬度改變0.025mm時．就會引起阻抗值相應(yīng)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(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)線寬度變化會導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變。導(dǎo)線的寬度是設(shè)計者根據(jù)多種設(shè)計要求確定的．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主要因素。因為導(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。特性阻抗值與介質(zhì)厚度變化之間的關(guān)系。當(dāng)介質(zhì)厚度改變0.025mm時．就會引起阻抗值相應(yīng)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(dǎo)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，確定相應(yīng)工作頻率下絕緣材料的介電常數(shù)，然后利用公式計算出相應(yīng)的Z0，再根據(jù)用戶提出的導(dǎo)線寬度值和計算值Z0，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和張數(shù)。