PCB技術 - 什麼是特性阻抗？

1.特性阻抗的抵抗

當交流電流流過導體時，電阻稱為阻抗，對應於Z，單位為Ω。

此時的電阻與直流電流不同。除了電阻的阻值，還有感抗（XL）和容抗（XC）的阻值問題。

為了區分直流電的電阻，交流電遇到的電阻稱為阻抗（z）。

Z=√ R2 +（XL -XC）2

2. 特性阻抗的阻抗特點 (z)

近年來，隨著IC集成度的提高和應用，信號傳輸頻率和速度越來越高。因此，當信號傳輸（transmission）達到一定值時，會受到PCB線材本身的影響，導致傳輸信號嚴重失真或完全丟失。由此可見，流經PCB線的“東西”不是電流，而是能量中方波信號或脈衝的傳輸。

3.特性阻抗控制（Z0）

上述“信號”傳輸的電阻，也稱為“特性阻抗”，用符號Z0表示。

因此，僅僅解決PCB線路上的“通”、“斷”、“短路”問題，還需要控制導線的特性阻抗。換句話說，高速傳輸和高頻信號傳輸的傳輸線質量比傳輸線要嚴格得多。它不再是“開路/短路”測試合格，或缺口、毛刺不超過線寬的20%。必須要求測量特性阻抗值，並且阻抗要控制在公差範圍內，否則只能報廢，不能返工。

為什麼要控制特性阻抗?

1、電子設備（電腦、通訊機）工作時，驅動器發出的信號通過PCB傳輸線到達接收器。當信號在印刷電路板的信號線上傳輸時，特徵阻抗值Z0必須與頭尾元件的“電子阻抗”相匹配，這樣信號中的“能量”才能完全傳輸。

2、一旦印刷電路板質量差，Z0超過允許值，傳輸的信號就會出現反射、色散、衰減或延遲等問題。嚴重時會傳輸錯誤信號，導致電腦死機。

3、嚴格選板，嚴格控制生產工藝，多層板上的Z0可以滿足客戶要求的規格。電子阻抗越高，傳輸速度就越快。因此，必須改進PCB的Z0以滿足匹配元件的要求。只有Z0合格，才算是高速或高頻信號要求的合格產品。

PCB特性阻抗Zo與PCB材料及PCB工藝的關係

PCB微帶線結構特徵阻抗Z0公式：Z0=87/R+1.41ln5.98h/(0.8W+T)

其中： ε R - 介電常數 H - 電介質厚度 W - 導體寬度 T - 導體厚度

電路板的ε R 越低，越容易提高PCB電路的Z0值，與高速元件的輸出阻抗值匹配。

1.特性阻抗Z0與板的εR成反比

Z0隨著介質厚度的增加而增加。因此，對於Z0嚴格的高頻電路，對覆銅板基板的介質厚度誤差有嚴格的要求。一般情況下，介質厚度的變化不應超過10%。

2、介質厚度對特性阻抗Z0的影響

隨著線密度的增加，介質厚度的增加會引起電磁干擾的增加。因此，隨著導體佈線密度的增加，應減小介質的厚度，以消除或減少電磁干擾引起的雜散信號或串擾，或降低ε R ，從而選擇低ε r 襯底。

根據微帶線結構特徵阻抗Z0，公式為：Z0 = 87 / R + 1.41 ln5.98h / (0.8W + T)

銅箔的厚度（T）是影響Z0的重要因素。線材粗細越大，Z0越小。但變化範圍相對較小。

3、銅箔厚度對特性阻抗Z0的影響

銅箔厚度越薄，可以獲得越高的 Z0 值，但厚度的變化對 Z0 的貢獻很小。

薄銅箔對Z0的貢獻在製造細線以提高或控制Z0時比薄銅箔更準確。

根據公式：

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

線寬W越小，Z0越大；減小線寬可以提高特性阻抗。

線寬變化對 Z0 的影響比線寬的影響要明顯得多。

4、導體寬度對特性阻抗Z0的影響

Z0隨著線寬W的變窄而迅速增加。因此，為了控制Z0，必須嚴格控制線寬。目前大多數高頻線路和高速數字線路的信號傳輸線寬W為0.10或0.13mm。傳統上，線寬控制偏差為±20%。對於沒有傳輸線的常規電子產品，PCB走線（線長“信號波長的1/7”）可以滿足要求，但對於Z0控制的信號傳輸線，PCB走線寬度偏差為±20%，不能符合要求。因為Z0的誤差超過±10%。

PCB特性阻抗控制和PCB工藝控制

1、PCB薄膜生產管理與檢驗

恆溫恆濕室（21±2℃，55±5%），防塵，線寬補償。

2.PCB面板設計

面板邊緣不能太窄，鍍層要均勻，採用電鍍加假陰極分散電流；

標準樣品（優惠券）旨在測試 Z0。

3.PCB蝕刻

嚴格工藝參數，減少側腐蝕，進行首檢；

減少線邊殘銅、銅渣、銅屑；

檢查線寬，控制在要求的範圍內（±10%或±0.02mm）。

4.pcbaoi考試

對於2GHz高速信號，即使是0.05mm的間隙，也必須報廢；關鍵是控制內層的線寬和缺陷。

5. PCB的層壓

真空覆膜機，降低壓力，減少膠水的流動，盡量保留更多的樹脂，因為樹脂影響εR，樹脂保存越多，εr就會越低。控制層壓厚度公差。因為板厚不均勻，意味著介質厚度變化會影響Z0。

6.選擇PCB基板

嚴格按客戶要求進行板式下料。錯誤的型號，錯誤的ε R，錯誤的板厚，正確的PCB製造工藝，同樣的廢料。因為 Z0 受 ε R 的影響很大。

7.PCB阻焊層

理論上電阻焊的厚度不宜過厚，但實際上影響不是很大。銅導體表面暴露在空氣中（ε r = 1），因此Z0的測量值較高。但是Z0的值在焊接電阻後會降低1-3Ω，因為電阻焊接的εr為4.0，遠高於空氣。

8、電路板的吸水率

成品多層板應盡量避免吸水，因為水的εr=75會給Z0帶來很大的落差和不穩定的影響。

影響PCB特性 阻抗的是電介質的厚度，其次是介電常數、線寬和線厚。選擇基板時，ε R 和 H 的變化較小，t 易於控制，但線寬 W 難以控制在±10% 以內。此外，線寬問題包括線材上的針孔、缺口和凹陷。從某種意義上說，控制阻抗的有效且重要的方法是控制和調整PCB線寬。