PCB为什么要控制阻抗，详解

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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），符合为 Z，单位还是 Ω。此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别，除了电阻的阻力以外，还有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力问题。
为区别直流电的电阻，将交流电所遇到之阻力称为阻抗 （Z）。
Z=√ R2 +（XL -XC）2
2、阻抗（Z）
近年来，IC 集成度的提高和应用，其信号传输频率和速 度越来越高，因而在印制板导线中， 信号传输 （发射） 高到 某一定值后， 便会受到印制板导线本身的影响， 从而导致传输信号的严重失真或完全丧失。这表明， PCB 导线所“流通”的“东西”并不是电流，而是方波讯号或脉冲在能量上的传输。
3、特性阻抗控制（Z0 ）
上述此种“讯号”传输时所受到的阻力，另称为“特性阻 抗”，代表符号为 Z0。所以， PCB 导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还不够，还要控制导线的特性阻抗问题。就是说，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、毛刺未超过线宽的 20%，就能接收。必须要求测定特性阻抗值，这个阻抗也要控制在公差以内，否则，只有报废，不得返工。
讯号传播与传输线
1、信号传输线定义
（1）根据电磁波的原理，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，尽管具有很高的信号传输频率，但经 过 PCB 导线传输后，原来很高的传输频率将降下来，或时间延迟了。因此，导线长度越短越好。
（3）提高 PCB 布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是，随着元件频率的加快，或脉冲周期的缩短，导线长度接近信号波长（速度）的某一范围，此时元件在 PCB 导 线传输时，便会出现明显的“失真”。
（4）IPC－2141 的 3.4.4 提出： 当信号在导线中传输时， 如果导线长度接近信号波长的1/7 时，此时的导线被视为信号传输线。
（5）举例：
某元件信号传输频率（f）为 10MHZ ， PCB 上导线长度为 50cm，是否应考虑特性阻抗控制？
解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm
导线长度/信号波长＝50/3000＝1/60
因为：1/60《1/7，所以此导线为普通导线，不必考虑特性阻抗问题。
在电磁波理论中，马克斯威尔公式告诉我们：正弦波信 号在介质中的传播速度 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，信号传输达到了光的传播速度，即 3 ×1010 cm/s 。
2、传输速率与介电常数
不同板材在 30MHZ 下的信号传输速度
介质材料 Tg（ °C ） 介电常数信号传输速度（m/?s）
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，随着介电常数（ εr ）的增加，信号在介 质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，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。信号传输速度为 138m/μs。改变树脂体系，可较易改变介电常数（εr ）。
特性阻抗值控制缘由
1、缘由一
电子设备（电脑、 通信机）操作时，驱动元件（Driver）所发出的信号，将通过 PCB传输线到达接收元件 （Receiver）。信号在印制板的信号线中传输时，其特性阻抗值 Z0 必须与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配，信号中的“能量”才会得 到完整的传输。
2、缘由二
一旦出现印制板质量不良，Z0 超出公差时，所传的信号 会出现反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰减 （Attenuation）或延误（Delay）等问题，严重时会传错信号，死机。
3、缘由三
严格选择板材和控制生产流程，多层板上的 Z0 才能符合 客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时，其传输速度才会越快，因而 PCB 的 Z0 也要随之提高，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。
特性阻抗 ZO 与板材及制程关系
微带线结构的特性阻抗 Z0 计算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
其中：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，越容易提高 PCB 线路的 Z0 值，而与高速 元件的输出阻抗值匹配。
1、特性阻抗 Z0 与板材的 εr 成反比
Z0 随着介质厚度的增加而增大。因此，对 Z0 严格的高频线路来说，对覆铜板基材的介质厚度的误差，提出了严格的 要求。通常，介质厚度变化不得超过 10％。
2、介质厚度对特性阻抗 Z0 的影响
随着走线密度的增加，介质厚度的增加会引起高频线路和高速数字线路的信号传输线，随 着导体布线密度的增加，应减小介质厚度，以消除或降低电磁干扰所带来的杂信或串扰问题、或大力降低 εr ，选用低 εr 基材。
根据微带线结构的特性阻抗 Z0 计算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
铜箔厚度（T）是影响 Z0 的一个重要因素，导线厚度越 大，其 Z0 越小。但其变化范围相对较小。
3、铜箔厚度对特性阻抗 Z0 的影响
越薄的铜箔厚度，可得到较高的 Z0 值，但其厚度变化对 Z0 贡献不大。采用薄铜箔对 Z0 的贡献，还不如说是由于薄铜箔对制造 精细导线，来提高或控制 Z0而作出贡献更为确切。
根据公式：
Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）
线宽 W 越小，Z0 越大；减少导线宽度可提高特性阻抗。
线宽变化比线厚变化对 Z0 的影响明显得多。
4、导线宽度对特性阻抗 Z0 的影响
Z0 随着线宽 W 变窄而迅速增加，因此，要控制 Z0 ，必须严 格控制线宽。目前，大多数高频线路和高速数字线路的信号传输线宽 W 为 0.10 或 0.13mm。传统上，线宽控制偏差为±20％。对非传输线的常规电子产品的 PCB 导线（导线长《 信号波长的 1/7）可满足要求，但对有 Z0 控制的信号传输线， PCB 导线宽度偏差±20％， 已不能满足要求。因为，此时的Z0 误差已超过±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 铜厚度均匀不变，问线宽变化±20%，Z0 能否符合±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
所以，Z0 刚好±10%，不能达到《±10%。
要达到特性阻抗 Z0 《±10%，导线宽偏差必须进一步缩小，必须远小于±20%才行。
同理，要控制 Z0 ≤5％，导线宽公差必须控制≤±10%。
因此，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，其原因就是要控制特性阻抗 Z0 值。
特性阻抗控制印制板工艺控制
底片制作管理、检查
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，镀层均匀，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，减少侧蚀，进行首检；
减少线边残铜、铜渣、铜碎；
检查线宽，控制在所要求的范围内（ ± 10% 或± 0.02mm）。
4、 AOI 检查
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；控制内层线宽和缺陷是关键。
5、层压
真空层压机，降低压力减少流胶，尽量保持较多的树脂量，因为树脂影响 εr ，树脂保存多些， εr 会低些。控制层压厚度公差。因为板厚不均匀，就表明介质厚度变化，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 不对，板厚错，制造 PCB 过程全对，同样 报废。因为 Z0 受 εr 影响大。
7、阻焊
板面的阻焊会使信号线的 Z0 值降低 1～3Ω，理论上说阻焊 厚度不宜太厚，事实上影响并不很大。铜导线表面所接触的是空气（ εr ＝1），所以测得 Z0 值较高。但在阻焊后
测 Z0 值会下降 1～3Ω，原因是阻焊的 εr 为 4.0，比空气高出很多。
8、吸水率
成品多层板要尽量避免吸水，因为水的 εr ＝75，对 Z0 会带 来很大的下降和不稳的效果。
小结
多层板信号传输线的特性阻抗 Z0 ，目前要求控制范围通 常是：50Ω±10%， 75Ω ±10%，或 28Ω±10% 。
控制住的变化范围，必须考虑四大因素：
（1）信号线宽 W；
（2）信号线厚 T；
（3）介质层厚度 H；
（4）介电常数 εr 。
影响最大的是介质厚度，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 变化很小，H 变化也小，T 较易控制，而线宽 W 控制在±10%是困难的，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，控制 Z0，最有效最重要的方法是控制调整线宽。
文章来源：百度文库

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