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PCB板的特性阻抗控制工艺解析

1、电阻

交流电流流过一个导体时,所受到的阻力称为阻抗 (Impedance),相符为Z,单位照样Ω。

此时的阻力同直流电流所碰到的阻力有区别,除了电阻 的阻力以外,还有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力问题。

为差别直流电的电阻,将交流电所碰到之阻力称为阻抗 (Z)。

Z=√ R2 +(XL -XC)2

2、阻抗(Z)

近年来,IC集成度的前进和利用,其旌旗灯号传输频率和速 度越来越高,因而在印制板导线中,旌旗灯号传输(发射)高到 某必然值后,便会受到印制板导线本身的影响,从而导致传 输旌旗灯号的严重掉真或完全丢掉。这注解,PCB导线所“流畅”的“器械”并不是电流,而是 方波讯号或脉冲在能量上的传输。

3、特点阻抗节制(Z0 )

上述此种“讯号”传输时所受到的阻力,另称为“特点阻 抗”,代表符号为Z0。

以是,PCB导线上单办理“通”、“断”和“短路”的问题还 不敷,还要节制导线的特点阻抗问题。便是说,高速传输、高频讯号传输的传输线,在质量上 要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关,或者 缺口、毛刺未跨越线宽的20%,就能接管。必须要求测定特点阻抗值,这个阻抗也要节制在公差以 内,否则,只有报废,不得返工。

二、讯号传播与传输线

1、旌旗灯号传输线定义

(1)根据电磁波的道理,波长(λ)越短,频率(f)越 高。两者的乘积为光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s

(2)任何元器件,只管具有很高的旌旗灯号传输频率,但经 过PCB导线传输后,原本很高的传输频率将降下来,或光阴 延迟了。

是以,导线长度越短越好。

(3)前进PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。然则,跟着元件频率的加快,或脉冲周期的缩短,导线 长度靠近旌旗灯号波长(速率)的某一范围,此时元件在PCB导 线传输时,便会呈现显着的“掉真”。

(4)IPC-2141的3.4.4提出:当旌旗灯号在导线中传输时,假如导线长度靠近旌旗灯号波长 的1/7时,此时的导线被视为旌旗灯号传输线。

(5)举例:

某元件旌旗灯号传输频率(f)为10MHZ ,PCB上导线长度为50cm,是否应斟酌特 性阻抗节制?

解: C = λ.f =3×1010 cm/s

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

导线长度/旌旗灯号波长=50/3000=1/60

由于:1/60《1/7,以是此导线为通俗导线,不必斟酌特点阻抗问题。

在电磁波理论中,马克斯威尔公式奉告我们:正弦波信 号在介质中的传播速率VS 与光速C成正比,而与传输介质的 介电常数成反比。

VS =C/√εr

当εr =1时,旌旗灯号传输达到了光的传播速率,即3 ×1010 cm/s 。

2、传输速度与介电常数

不合板材在30MHZ 下的旌旗灯号传输速率

介质材料 Tg( °C ) 介电常数 旌旗灯号传输速率(m/μs)

真空 / 1.0 300.00

聚四氟乙烯 / 2.2 202.26

热固性聚丙醚 210 2.5 189.74

氰酸酯树脂 225 3.0 173.21

聚四氟乙烯树脂+E玻璃布 / 2.6 186.25

氰酸酯树脂+玻璃布 225 3.7 155.96

聚酰亚胺+玻璃布 230 4.5 141.42

石英 / 3.9 151.98

环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

铝 / 9.0 100.00

由上表可见,跟着介电常数( εr )的增添,旌旗灯号在介 质材猜中的传输速率减小。要得到高的旌旗灯号传输速率,需采纳高的特点阻抗值;高的特点阻抗,必须选用低的介电常数(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介电常数(εr )最小,传输速 度最快。

FR-4板材,是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成,介电 常数(εr )为4.7。旌旗灯号传输速率为138m/μs。改变树脂体系,可较易改变介电常数(εr )。

三、特点阻抗值节制启事

1、启事一

电子设备(电脑、通信机)操作时,驱动元件(Driver) 所发出的旌旗灯号,将经由过程PCB传输线到达接管元件 (Receiver)。旌旗灯号在印制板的旌旗灯号线中传输时,其特点阻抗值Z0 必须 与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配,旌旗灯号中的“能量”才会得 到完备的传输。

2、启事二

一旦呈现印制板质量不良,Z0 越过公差时,所传的旌旗灯号 会呈现反射(Reflection)、散掉(DissipaTIon)、衰减 (AttenuaTIon)或耽误(Delay)等问题,严重时会传错信 号,逝世机。

3、启事三

严格选择板材和节制临盆流程,多层板上的Z0 才能相符 客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时,其传输速率才会越快,因而 PCB的Z0 也要随之前进,方能达到匹配元件的要求。Z0 合格的多层板,才算得上是高速或高频讯号所要求的 合格品。

四、特点阻抗ZO 与板材及制程关系

微带线布局的特点阻抗Z0谋略公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)

此中:εr -介电常数 H-介质厚度 W-导线宽度 T-导线厚度

板材的 εr 越低,越轻易前进PCB线路的Z0 值,而与高速 元件的输出阻抗值匹配。

1、 特点阻抗Z0与板材的εr成反比

Z0 跟着介质厚度的增添而增大年夜。是以,对Z0 严格的高频 线路来说,对覆铜板基材的介质厚度的偏差,提出了严格的 要求。平日,介质厚度变更不得跨越10%。

2、 介质厚度对特点阻抗Z0的影响

跟着走线密度的增添,介质厚度的增添会引起电磁滋扰 的增添。是以,高频线路和高速数字线路的旌旗灯号传输线,随 着导体布线密度的增添,应减小介质厚度,以打消或低落电 磁滋扰所带来的杂信或串扰问题、或大年夜力低落εr ,选用低εr 基材。

根据微带线布局的特点阻抗Z0 谋略公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)

铜箔厚度(T)是影响Z0的一个紧张身分,导线厚度越 大年夜,其Z0越小。但其变更范围相对较小。

3、 铜箔厚度对特点阻抗Z0的影响

越薄的铜箔厚度,可获得较高的Z0 值,但其厚度变更对 Z0 供献不大年夜。

采纳薄铜箔对Z0 的供献,还不如说是因为薄铜箔对制造 精细导线,来前进或节制Z0 而作出供献更为确切。

根据公式:

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)

线宽W越小,Z0越大年夜;削减导线宽度可前进特点阻抗。

线宽变更比线厚变更对Z0的影响显着得多。

4、 导线宽度对特点阻抗Z0的影响

Z0 跟着线宽W变窄而迅速增添,是以,要节制Z0 ,必须严 格节制线宽。今朝,大年夜多半高频线路和高速数字线路的旌旗灯号传输线宽 W为0.10或0.13mm。传统上,线宽节制误差为±20%。对非传输线的老例电 子产品的PCB导线(导线长 《 旌旗灯号波长的1/7)可满意要 求,但对有Z0 节制的旌旗灯号传输线,PCB导线宽度误差±20%, 已不能满意要求。由于,此时的Z0 偏差已跨越±10%。

举例如下:

某PCB微带线宽度为100μm,线厚为20μm,介质厚度为100μm,假设成品 PCB铜厚度平均不变,问线宽变更±20%,Z0 能否相符±10%以内?

解:根据公式

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)

代入:线宽W0 = 100μm, W1 = 80μm, W2 = 120μm,线厚T=20μm,介 质厚度H=100μm,则:Z01 /Z02 =1.20

以是,Z0 刚好±10%,不能达到《±10%。

要达到特点阻抗Z0 《±10%,导线宽误差必须进一步缩小, 必须远小于±20%才行。

同理,要节制Z0 ≤5%,导线宽公差必须节制≤±10%。

是以,我们就不难理解,为什么聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB,要求线宽±0.02mm,其缘故原由便是要节制特点阻抗 Z0值。

五、特点阻抗节制印制板工艺节制

1、 底片制作治理、反省

恒温恒湿房(21±2°C,55 ± 5%),防尘;线宽工艺补偿。

2、 拼板设计

拼板板边不能太窄,镀层平均,电镀加假阴极,分散电 流;

设计拼板板边测试Z0 的标样(coupon)。

3、 蚀刻

严格工艺参数,削减侧蚀,进行首检;

削减线边残铜、铜渣、铜碎;

反省线宽,节制在所要求的范围内( ± 10% 或± 0.02mm)。

4、 AOI反省

内层板务必找出导线缺口、凸口,对2GHZ 高速讯号,即 使0.05mm的缺口,也必须报废;节制内层线宽和缺陷是关键。

5、 层压

真空层压机,低落压力削减流胶,只管即便维持较多的树脂 量,由于树脂影响εr ,树脂保存多些, εr会低些。节制层压厚度公差。由于板厚不平均,就注解介质厚度 变更,会影响Z0 。

6、 选好基材

严格按客户要求的板材型号下料。型号下错, εr纰谬,板厚错,制造PCB历程全对,同样 报废。由于Z0 受εr影响大年夜。

7、 阻焊

板面的阻焊会使旌旗灯号线的Z0 值低落1~3Ω,理论上说阻焊 厚度不宜太厚,事实上影响并不很大年夜。铜导线外面所打仗的是空气( εr =1),以是测得Z0 值 较高。但在阻焊后测Z0 值会下降1~3Ω,缘故原由是阻焊的εr 为 4.0,比空气超过跨过很多。

8、 吸水率

成品多层板要只管即便避免吸水,由于水的εr =75,对Z0 会带 来很大年夜的下降和不稳的效果。

六、小结

多层板旌旗灯号传输线的特点阻抗Z0 ,今朝要求节制范围通 常是:50Ω±10%,75Ω ±10%,或28Ω±10% 。

节制住的变更范围,必须斟酌四大年夜身分:

(1)旌旗灯号线宽W;

(2)旌旗灯号线厚T;

(3)介质层厚度H;

(4)介电常数εr 。

影响最大年夜的是介质厚度,其次是介电常数,导线宽度, 最小是导线厚度。在选定基材后,εr变更很小,H变更也小,T较易节制,而线宽W节制在±10%是艰苦的,且线宽问题又有导线上针孔、 缺口、凹陷等问题。从某种意义上说,节制Z0,最有效最紧张的措施是节制调剂线宽。

滥觞;互联网

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