高頻PCB線路板加工對(duì)阻抗控制的影響和解決方法

我國(guó)正處在以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心和改革開放的大好形勢(shì)下，電子工業(yè)的年增長(zhǎng)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(shì)而漲，而且超過20%的增長(zhǎng)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)備中電氣的互連件中的金屬導(dǎo)線，已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(duì)高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)的傳輸用PCB的電氣測(cè)試，不僅要測(cè) 量電路通斷和短路等是否符合要求，而且還應(yīng)該測(cè)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，電路板才符合要求。

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，特性阻抗的計(jì)算公式為：

a.微帶線(microstrip)

Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W為線寬，T為走線的銅皮厚度，H為走線到參考平面的距離，Er是PCB板材質(zhì)的介電常數(shù)(dielectric constant)。此公式必須在0.1<(W/H)<2.0及1<(Er)<15的情況才能應(yīng)用。

b.帶狀線(stripline)

Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(0.8W+T)]} 其中，H為兩參考平面的距離，并且走線位于兩參考平面的中間。此公式必須在W/H<0.35及T/H<0.25的情況才能應(yīng)用

從公式可以看出 影響特性阻抗的主 要因素是（1）介質(zhì)常數(shù)Er，（2）介質(zhì)厚度H，（3）導(dǎo)線寬 度W，（4）導(dǎo)線銅的厚度T，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1Mhz下測(cè)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(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)，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，而高的特性阻值必須選用低的介質(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 ，圖 以表面微帶線為例，說明阻抗值與導(dǎo)線寬度的關(guān)系。從圖中可以看到當(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5-6歐姆，而在實(shí)際生產(chǎn)中如果控制阻抗的信號(hào)線面使用18μm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35μm銅箔，可允許的導(dǎo)線寬度變化公差為0.025mm，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25μm，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

從公式中可看出特性阻抗是與介質(zhì)厚度的自然對(duì)數(shù)成正比的，因而可知介質(zhì)厚度越厚其阻抗值越大，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+5-8歐姆，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?qǐng)D。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)的阻抗值，再根據(jù)用戶提出的導(dǎo)線寬度值和計(jì)算阻抗值，通過圖查出相對(duì)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)。

從圖可以看出微帶線結(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20Ω-40Ω。因此對(duì)高頻和高速數(shù)字信號(hào)傳輸大多采用微帶線結(jié)構(gòu)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(duì)于特性阻抗值嚴(yán)格控制的高頻線路來說，對(duì)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(duì)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(duì)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。

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