PCB阻抗值因素與計算方法.doc

PCB阻抗設(shè)計及計算簡介特性阻抗的定義 何謂特性阻抗（CharacteristicImpedance ，Z0）電子設(shè)備傳輸信號線中，其高頻信號在傳輸線中傳播時所遇 到的阻力稱之為特性阻抗;包括阻抗、容抗、感抗等，已不再 只是簡單直流電的“歐姆電阻”。 阻抗在顯示電子電路，元件和元件材料的特色上是最重要的 參數(shù).阻抗(Z)一般定義為：一裝置或電路在提供某特定頻率 的交流電(AC)時所遭遇的總阻力.簡單的說，在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所 起的阻礙作用叫做阻抗 。設(shè)計阻抗的目的隨著 信 號 傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對 印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路 性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號 保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才 能得到完整、可靠、精確、無干擾、噪音的傳輸信號。 阻抗匹配在高頻設(shè)計中是很重要的，阻抗匹配與否關(guān)系到 信號的質(zhì)量優(yōu)劣 。而阻抗匹配的目的主要在于傳輸線上所 有高頻的微波信號皆能到達負載點，不會有信號反射回源 點。 因此，在有高頻信號傳輸?shù)腜CB板中，特性阻抗的控制 是尤為重要的。 當選定板材類型和完成高頻線路或高速數(shù)字線路的PCB 設(shè)計之后，則特性阻抗值已確定，但是真正要做到預(yù)計 的特性阻抗或?qū)嶋H控制在預(yù)計的特性阻抗值的范圍內(nèi)， 只有通過PCB生產(chǎn)加工過程的管理與控制才能達到。從PCB制造的角度來講，影響阻抗和關(guān)鍵因素 主要有：線寬（w）線距（s）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）介質(zhì)常數(shù)（Dk）r相對電容率(原俗稱Dk介質(zhì)常數(shù))，白容生對此有研究和專門 詮釋。注：其實阻焊也對阻抗有影響，只是由于阻焊層貼在介質(zhì)上， 導(dǎo)致介電常數(shù)增大，將此歸于介電常數(shù)的影響，阻抗值會相 應(yīng)減少4%如上圖所示Z0與線寬W成反比，線寬越大，Z0越??；Z0與銅厚成反比，銅厚越厚，Z0越小；Z0與介質(zhì)厚度成正比，介質(zhì)厚度越厚，Z0越大；Z0與介質(zhì)介電常數(shù)的平方根成反比，介電常數(shù)越大，Z0越 小。1、介質(zhì)厚度：-是影響阻抗值的最主要因素增加介質(zhì)厚度可以提高阻抗，降低介質(zhì)厚度可以減小 阻抗； 不同的半固化片有不同的膠含量與厚度.其壓合后的厚 度與壓機的平整性、壓板的程序有關(guān)； 對所使用的任何一種板材,要取得其可生產(chǎn)的介質(zhì)層厚 度,利于設(shè)計計算，而工程設(shè)計、壓板控制、來料公差 是介質(zhì)厚度控制的關(guān)鍵2、線寬：增加線寬，可減小阻抗，減小線寬可增大阻抗。線寬的控制要求在+/-10的公差內(nèi)，才能較好達到阻 抗控制要求信號線的缺口影響整個測試波形，其單點阻抗偏高， 使其整個波形不平整,阻抗線不允許補線，其缺口不能 超過10 線寬主要是通過蝕刻控制來控制。為保證線寬，根據(jù) 蝕刻側(cè)蝕量、光繪誤差、圖形轉(zhuǎn)移誤差，對工程底片 進行工藝補償，達到線寬的要求3、線厚(線路銅厚)：減小線厚可增大阻抗，增大線厚可減小阻抗；線厚可通過圖形電鍍或選用相應(yīng)厚度的基材銅箔來控 制。對銅厚的控制要求均勻,對細線、孤立的線的板加上分 流塊，其平衡電流，防止線上的銅厚不均，影響阻抗對cs與ss面銅分布極不均的情況，要對板進行交叉上 板，來達到二面銅厚均勻的目的4、介電常數(shù)： 增加介電常數(shù)，可減小阻抗，減小介電常數(shù)可增大阻 抗，介電常數(shù)主要是通過材料來控制。 不同板材其介電常數(shù)不一樣，其與所用的樹脂材料有 關(guān)：FR4板材其介電常數(shù)為3.94.5,其會隨使用的頻 率增加減小,聚四氟乙烯板材其介電常數(shù)為2.23.9間 要獲得高的信號傳輸要求高的阻抗值,從而要低的介電 常數(shù)5、阻焊厚度：印上阻焊會使外層阻抗減少。正常情況下印刷一遍阻 焊可使單端下降2歐姆，可使差分下降8歐姆，印刷2遍 下降值為一遍時的2倍，當印刷3次以上時，阻抗值不 再變化。各參數(shù)的影響程度阻抗設(shè)計中考慮的其它因素線寬是否能滿足電流要求疊層結(jié)構(gòu)是否合理信號層間的相互干擾布線密度的大小板材以及半固化片型號的選擇層間介質(zhì)厚度是否可滿足加工要求最終板厚是否可滿足客戶要求我司主要使用的阻抗設(shè)計軟件為Polar-Si8000該軟件總共包含了93種阻抗計算模式設(shè)計中常用的模式有6種，外層選用無阻焊覆蓋模式外層差分無阻焊模式H1：阻抗線到其參考層的高度Er1：層間介質(zhì)的介電常數(shù)W1：下線寬W2：上線寬S1：線間距T1：銅厚內(nèi)層相鄰層屏蔽模式其中W1、W2、S1、T1與前面相同此種模式關(guān)鍵在于填寫正確的H1H1與H2的相同點：都是介質(zhì)厚度 H1與H2的不同點：當芯板與半固 化片厚度不等時，H1與H2值的填 寫正確與否就很重要蝕刻藥水流向芯板貼膜 WW12H1曝光顯影退膜蝕刻如上圖所示，由于生產(chǎn)中蝕刻藥水對銅表面接觸的充分，而與下 方接觸相對較弱，因此蝕刻出來的線寬呈梯形，且W1W2從圖中可知，下線寬W1所接觸的介質(zhì)為芯板，因此阻抗計算軟件 中的H1值即為芯板厚度，Er1、Er2即為對應(yīng)介質(zhì)的介電常數(shù)不包含銅箔厚度板材（H/H、1/1、2/2、H/1）0.10mm0.36mm0.13mm0.41mm0.15mm0.45mm0.18mm0.51mm0.21mm0.60mm0.25mm0.71mm0.30mm0.80mm包含銅箔厚度板材（H/H、1/1、2/2、H/1）0.8mm1.0mm1.1mm1.2mm1.3mm1.4mm1.5mm1.6mm1.8mm1.9mm2.0mm2.5mm3.0mm3.2mm注：H/H、1/1、2/2代表芯板兩面的銅箔厚度分別為0.5Oz、1Oz、2OzH/1代表芯板兩面銅箔厚度分別為0.5Oz和1Oz1.1常用FR4的半固化片參數(shù)類別半固化片類 型1061080331321167628Tg170理論實際厚 度（mm）0.05130.07730.10340.11850.1951介電常數(shù)3.63.653.853.954.2N4000-13（2113 0.1054）理論實際厚 度（mm）0.06630.08410.09960.13510.2019介電常數(shù)3.73.73.73.73.7IT180A、 S1000-2B理論實際厚 度（mm）0.05950.07320.10420.12250.2043介電常數(shù)3.93.954.154.254.51.2介質(zhì)層厚度與介電常數(shù)(生益及等同材料):類別芯板 mm0.0510.0750.1020.130.150.180.210.250.360.510.710.8Mil23.045.15.97.08.271014.5202831.5Tg17 0介電 常數(shù)3.63.653.953.953.654.23.953.954.24.14.24.2IT180A、 S1000- 2介電 常數(shù)3.93.954.254.253.954.54254.254.54.44.54.5注：多種半固化片組合的介電常數(shù)取其算術(shù)值。板厚精度：根據(jù)來料實測厚度， 阻抗設(shè)計計算疊層厚度與層間介質(zhì)層厚度時按來料實際厚度及根據(jù)線路分布率進 行計算。下表為常用高TG FR4半固化片在不同條件下的厚 度取值(mil),(其中電地層布線率按75%，信號層 按25%)僅供參考，實際應(yīng)按線路分布率來計算。介質(zhì)厚度PP型 號PP標稱厚度0.5ozCopper/GndGnd/GndCopper/SignalGND/signalSignal/Signal對應(yīng)流膠填充厚度-0.160.320.480.640.961062.342.182.021.861.71.3810802.882.722.562.42.231.9233134.13.943.783.623.453.1421164.824.664.54.344.183.8676288.047.887.727.567.397.08介質(zhì)厚度PP型 號PP標稱厚度1ozCopper/GndGnd/GndCopper/SignalGND/signalSignal/Signal對應(yīng)流膠填充厚度-0.310.620.931.241.861062.342.031.721.411.10.4810802.882.572.261.951.641.0233134.13.793.483.172.862.2421164.824.514.23.893.582.9676288.047.737.427.116.86.18阻抗計算涉及參數(shù)FR4半固化片使用考慮 流膠后的實際厚度計算方法：類型一：芯板與銅箔之間（單面填膠） 類型二：內(nèi)層芯板之間（雙面填膠）類型一：實測厚度=理論厚度-銅厚*（1-殘銅率）(表層的殘銅率取100%，光板 殘銅率為0)類型二：實測厚度=理論厚度-銅厚1*（1-殘銅率1）-銅厚2*（1-殘銅率2）阻抗計算涉及參數(shù)內(nèi)外層銅厚及線寬標稱基銅規(guī)格（um）183570內(nèi)層計算銅厚T（mil）0.651.252.56外層計算銅厚T（mil）2.22.94.2基銅厚上線寬（mil） W2下線寬（mil） W1線距（mil） S1內(nèi)層 18umW0-0.1W0S0內(nèi)層 35umW0-0.4W0S0內(nèi)層 35umW0-1.2W0S0外層 18umW0-0.6W0+0.7S0-0.7外層 35umW0-0.9W0+0.9S0-0.9上表中的參數(shù)分別為阻抗計算時的銅厚T1與上、下線寬的取值W0和S0分別代表客戶設(shè)計線寬、線距阻抗計算涉及參數(shù) 由于我司設(shè)計阻抗時采用不覆蓋阻焊模式，而實際上阻焊對 外層阻抗是有影響的，且客戶要求阻抗控制的線一般為覆蓋 阻焊的，故我司工藝經(jīng)生產(chǎn)試驗總結(jié)出阻焊對外層阻抗的影 響采取以下公式校正：（外層不覆蓋及內(nèi)層不需校正）阻抗計算值Z(覆蓋阻焊)Z(不覆蓋阻焊)0.9+3.2舉例要求Z 50Ohm阻抗那么Z (503.2)/0.9=52歐Z設(shè)為SI8000軟件計算值。1.特殊范圍阻抗值計算公式： a. 單端阻抗值要求40歐姆外層線路(阻抗線蓋阻焊) 單端阻抗= SI8000軟件（不蓋阻 焊模式）計算值-1.5歐外層線路(阻抗線不蓋阻焊) 單端阻抗= SI8000軟件（不蓋 阻焊模式）計算值b. 差分阻抗值要求120歐姆外層線路(阻抗線蓋阻焊)差分阻抗= SI8000軟件（不蓋阻焊模式）計算值-8.0歐 外層線路(阻抗線不蓋阻焊)差分阻抗= SI8000軟件（不蓋阻焊模式）計算值2.雙面板差分阻抗a介質(zhì)厚1.0mm：按客