PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

1、電阻

交流電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，所受到的阻力稱為阻抗 （Impedance），符合為Z，單位還是Ω。

此時(shí)的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別，除了電阻 的阻力以外，還有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力問(wèn)題。

為區(qū)別直流電的電阻，將交流電所遇到之阻力稱為阻抗 （Z）。

Z=radic; R2 +（XL -XC）2

2、阻抗（Z）

近年來(lái)，IC集成度的提高和應(yīng)用，其信號(hào)傳輸頻率和速 度越來(lái)越高，因而在印制板導(dǎo)線中，信號(hào)傳輸（發(fā)射）高到 某一定值后，便會(huì)受到印制板導(dǎo)線本身的影響，從而導(dǎo)致傳 輸信號(hào)的嚴(yán)重失真或完全喪失。這表明，PCB導(dǎo)線所“流通”的“東西”并不是電流，而是 方波訊號(hào)或脈沖在能量上的傳輸。

3、特性阻抗控制（Z0 ）

上述此種“訊號(hào)”傳輸時(shí)所受到的阻力，另稱為“特性阻 抗”，代表符號(hào)為Z0。

所以，PCB導(dǎo)線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問(wèn)題還 不夠，還要控制導(dǎo)線的特性阻抗問(wèn)題。就是說(shuō)，高速傳輸、高頻訊號(hào)傳輸?shù)膫鬏斁€，在質(zhì)量上 要比傳輸導(dǎo)線嚴(yán)格得多。不再是“開(kāi)路/短路”測(cè)試過(guò)關(guān)，或者 缺口、毛刺未超過(guò)線寬的20%，就能接收。必須要求測(cè)定特性阻抗值，這個(gè)阻抗也要控制在公差以 內(nèi)，否則，只有報(bào)廢，不得返工。

二、訊號(hào)傳播與傳輸線

1、信號(hào)傳輸線定義

（1）根據(jù)電磁波的原理，波長(zhǎng)（λ）越短，頻率（f）越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s

（2）任何元器件，盡管具有很高的信號(hào)傳輸頻率，但經(jīng) 過(guò)PCB導(dǎo)線傳輸后，原來(lái)很高的傳輸頻率將降下來(lái)，或時(shí)間 延遲了。

因此，導(dǎo)線長(zhǎng)度越短越好。

（3）提高PCB布線密度或縮短導(dǎo)線尺寸是有利的。但是，隨著元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短，導(dǎo)線 長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng)（速度）的某一范圍，此時(shí)元件在PCB導(dǎo) 線傳輸時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)明顯的“失真”。

（4）IPC－2141的3.4.4提出：當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，如果導(dǎo)線長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng) 的1/7時(shí)，此時(shí)的導(dǎo)線被視為信號(hào)傳輸線。

（5）舉例：

某元件信號(hào)傳輸頻率（f）為10MHZ ，PCB上導(dǎo)線長(zhǎng)度為50cm，是否應(yīng)考慮特 性阻抗控制？

解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s

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

導(dǎo)線長(zhǎng)度/信號(hào)波長(zhǎng)＝50/3000＝1/60

因?yàn)椋?/60《1/7，所以此導(dǎo)線為普通導(dǎo)線，不必考慮特性阻抗問(wèn)題。

在電磁波理論中，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信 號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度VS 與光速C成正比，而與傳輸介質(zhì)的 介電常數(shù)成反比。

VS ＝C/√εr

當(dāng)εr ＝1時(shí)，信號(hào)傳輸達(dá)到了光的傳播速度，即3 ×1010 cm/s 。

2、傳輸速率與介電常數(shù)

不同板材在30MHZ 下的信號(hào)傳輸速度

介質(zhì)材料 Tg（ °C ） 介電常數(shù) 信號(hào)傳輸速度（m/?s）

真空 / 1.0 300.00

聚四氟乙烯 / 2.2 202.26

熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74

氰酸酯樹(shù)脂 225 3.0 173.21

聚四氟乙烯樹(shù)脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25

氰酸酯樹(shù)脂＋玻璃布 225 3.7 155.96

聚酰亞胺＋玻璃布 230 4.5 141.42

石英 / 3.9 151.98

環(huán)氧樹(shù)脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

鋁 / 9.0 100.00

由上表可見(jiàn)，隨著介電常數(shù)（ εr ）的增加，信號(hào)在介 質(zhì)材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號(hào)傳輸速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，必須選用低的介電常數(shù)（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介電常數(shù)（εr ）最小，傳輸速 度最快。

FR-4板材，是由環(huán)氧樹(shù)脂和E級(jí)玻璃布聯(lián)合組成，介電 常數(shù)（εr ）為4.7。信號(hào)傳輸速度為138m/μs。改變樹(shù)脂體系，可較易改變介電常數(shù)（εr ）。

三、特性阻抗值控制緣由

1、緣由一

電子設(shè)備（電腦、通信機(jī)）操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件（Driver） 所發(fā)出的信號(hào)，將通過(guò)PCB傳輸線到達(dá)接收元件 （Receiver）。信號(hào)在印制板的信號(hào)線中傳輸時(shí)，其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配，信號(hào)中的“能量”才會(huì)得 到完整的傳輸。

2、緣由二

一旦出現(xiàn)印制板質(zhì)量不良，Z0 超出公差時(shí)，所傳的信號(hào) 會(huì)出現(xiàn)反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰減 （Attenuation）或延誤（Delay）等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)傳錯(cuò)信 號(hào)，死機(jī)。

3、緣由三

嚴(yán)格選擇板材和控制生產(chǎn)流程，多層板上的Z0 才能符合 客戶所要求的規(guī)格。元件的電子阻抗越高時(shí)，其傳輸速度才會(huì)越快，因而 PCB的Z0 也要隨之提高，方能達(dá)到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板，才算得上是高速或高頻訊號(hào)所要求的 合格品。