如何對PCB板進行特性阻抗控制設計

交流電流流過一個導體時，所受到的阻力稱為阻抗（Impedance），符合為Z，單位還是Ω。

此時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）的阻力問題。

為區別直流電的電阻，將交流電所遇到之阻力稱為阻抗（Z）。

Z=√ R2 +（XL -XC）2

2、阻抗（Z）

近年來，IC集成度的提高和應用，其信號傳輸頻率和速度越來越高，因而在印制板導線中，信號傳輸（發射）高到某一定值后，便會受到印制板導線本身的影響，從而導致傳輸信號的嚴重失真或完全喪失。這表明，PCB導線所“流通”的“東西”并不是電流，而是方波訊號或脈沖在能量上的傳輸。

3、特性阻抗控制（Z0 ）

上述此種“訊號”傳輸時所受到的阻力，另稱為“特性阻抗”，代表符號為Z0。

所以，PCB導線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問題還不夠，還要控制導線的特性阻抗問題。就是說，高速傳輸、高頻訊號傳輸的傳輸線，在質量上要比傳輸導線嚴格得多。不再是“開路/短路”測試過關，或者缺口、毛刺未超過線寬的20%，就能接收。必須要求測定特性阻抗值，這個阻抗也要控制在公差以內，否則，只有報廢，不得返工。

二、訊號傳播與傳輸線

1、信號傳輸線定義

（1）根據電磁波的原理，波長（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傳輸頻率，但經過PCB導線傳輸后，原來很高的傳輸頻率將降下來，或時間延遲了。

因此，導線長度越短越好。

（3）提高PCB布線密度或縮短導線尺寸是有利的。但是，隨著元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短，導線長度接近信號波長（速度）的某一范圍，此時元件在PCB導線傳輸時，便會出現明顯的“失真”。

（4）IPC－2141的3.4.4提出：當信號在導線中傳輸時，如果導線長度接近信號波長的1/7時，此時的導線被視為信號傳輸線。

（5）舉例：

某元件信號傳輸頻率（f）為10MHZ ，PCB上導線長度為50cm，是否應考慮特性阻抗控制？

解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s

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

導線長度/信號波長＝50/3000＝1/60

因為：1/60《1/7，所以此導線為普通導線，不必考慮特性阻抗問題。

在電磁波理論中，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信號在介質中的傳播速度VS 與光速C成正比，而與傳輸介質的介電常數成反比。

VS ＝C/√εr

當εr ＝1時，信號傳輸達到了光的傳播速度，即3 ×1010 cm/s 。

2、傳輸速率與介電常數

不同板材在30MHZ 下的信號傳輸速度

介質材料 Tg（ °C ）介電常數信號傳輸速度（m/μs）

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

氰酸酯樹脂 225 3.0 173.21

聚四氟乙烯樹脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25

氰酸酯樹脂＋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

環氧樹脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

鋁 / 9.0 100.00

由上表可見，隨著介電常數（ εr ）的增加，信號在介質材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號傳輸速度，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（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介電常數（εr ）最小，傳輸速度最快。

FR-4板材，是由環氧樹脂和E級玻璃布聯合組成，介電常數（εr ）為4.7。信號傳輸速度為138m/μs。改變樹脂體系，可較易改變介電常數（εr ）。

三、特性阻抗值控制緣由

1、緣由一

電子設備（電腦、通信機）操作時，驅動元件（Driver）所發出的信號，將通過PCB傳輸線到達接收元件（Receiver）。信號在印制板的信號線中傳輸時，其特性阻抗值Z0 必須與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配，信號中的“能量”才會得到完整的傳輸。

2、緣由二

一旦出現印制板質量不良，Z0 超出公差時，所傳的信號會出現反射（Reflection）、散失（DissipaTIon）、衰減（AttenuaTIon）或延誤（Delay）等問題，嚴重時會傳錯信號，死機。

3、緣由三

嚴格選擇板材和控制生產流程，多層板上的Z0 才能符合客戶所要求的規格。元件的電子阻抗越高時，其傳輸速度才會越快，因而 PCB的Z0 也要隨之提高，方能達到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板，才算得上是高速或高頻訊號所要求的合格品。

四、特性阻抗ZO 與板材及制程關系

微帶線結構的特性阻抗Z0計算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

其中：εr －介電常數 H－介質厚度 W－導線寬度 T－導線厚度

板材的 εr 越低，越容易提高PCB線路的Z0 值，而與高速元件的輸出阻抗值匹配。

1、特性阻抗Z0與板材的εr成反比

Z0 隨著介質厚度的增加而增大。因此，對Z0 嚴格的高頻線路來說，對覆銅板基材的介質厚度的誤差，提出了嚴格的要求。通常，介質厚度變化不得超過10％。

2、介質厚度對特性阻抗Z0的影響

隨著走線密度的增加，介質厚度的增加會引起電磁干擾的增加。因此，高頻線路和高速數字線路的信號傳輸線，隨著導體布線密度的增加，應減小介質厚度，以消除或降低電磁干擾所帶來的雜信或串擾問題、或大力降低εr ，選用低εr 基材。

根據微帶線結構的特性阻抗Z0 計算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

銅箔厚度（T）是影響Z0的一個重要因素，導線厚度越大，其Z0越小。但其變化范圍相對較小。

3、銅箔厚度對特性阻抗Z0的影響

越薄的銅箔厚度，可得到較高的Z0 值，但其厚度變化對 Z0 貢獻不大。

采用薄銅箔對Z0 的貢獻，還不如說是由于薄銅箔對制造精細導線，來提高或控制Z0 而作出貢獻更為確切。

根據公式：

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

線寬W越小，Z0越大；減少導線寬度可提高特性阻抗。

線寬變化比線厚變化對Z0的影響明顯得多。

4、導線寬度對特性阻抗Z0的影響

Z0 隨著線寬W變窄而迅速增加，因此，要控制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％。對非傳輸線的常規電子產品的PCB導線（導線長《信號波長的1/7）可滿足要求，但對有Z0 控制的信號傳輸線，PCB導線寬度偏差±20％，已不能滿足要求。因為，此時的Z0 誤差已超過±10%。

舉例如下：

某PCB微帶線寬度為100μm，線厚為20μm，介質厚度為100μm，假設成品 PCB銅厚度均勻不變，問線寬變化±20%，Z0 能否符合±10%以內？

解：根據公式

Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

代入：線寬W0 ＝ 100μm， W1 ＝ 80μm， W2 ＝ 120μm，線厚T＝20μm，介質厚度H＝100μm，則：Z01 /Z02 =1.20

所以，Z0 剛好±10%，不能達到《±10%。

要達到特性阻抗Z0 《±10%，導線寬偏差必須進一步縮小，必須遠小于±20%才行。

同理，要控制Z0 ≤5％，導線寬公差必須控制≤±10%。

因此，我們就不難理解，為什么聚四氟乙烯PCB和某些 FR-4PCB，要求線寬±0.02mm，其原因就是要控制特性阻抗 Z0值。

五、特性阻抗控制印制板工藝控制

1、底片制作管理、檢查

恒溫恒濕房（21±2°C，55 ± 5%），防塵；線寬工藝補償。