田麗 曹安照
(安徽工程科技學(xué)院電氣系，安徽蕪湖 241000)

　　摘 要：繼文獻(xiàn)［1］后，本文進(jìn)一步分析了影響特性阻抗的其它因素，重點(diǎn)討論了介質(zhì)常數(shù)對(duì)PCB特性阻抗的影響。

　　關(guān)鍵詞：印刷電路板 特性阻抗 介質(zhì)常數(shù)?

　　概述

　　隨著信號(hào)傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對(duì)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(hào)在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號(hào)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(hào)。本文在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了其它影響PCB特性阻抗的因素，特別是介質(zhì)常數(shù)的影響。

　　1表面微帶線及特性阻抗

　　表面微帶線的特性阻抗值較高并在實(shí)際中廣泛采用，它的外層為控制阻抗的信號(hào)線面，它和與之相鄰的基準(zhǔn)面之間用絕緣材料隔開，見圖1。

　　特性阻抗的計(jì)算公式為：

　　Z0：印刷導(dǎo)線的特性阻抗

　　εr：絕緣材料的介電常數(shù)

　　h：印刷導(dǎo)線與基準(zhǔn)面之間的介質(zhì)厚度

　　w：印刷導(dǎo)線的寬度

　　t：印刷導(dǎo)線的厚度

　　從圖1以及公式(1)可以看出：影響特性阻抗的主要因素是：(1)介質(zhì)常數(shù)εr；(2)介質(zhì)厚度h；(3)導(dǎo)線寬度w；(4)導(dǎo)線厚度t等。因而可知，特性阻抗與基板材料(覆銅板材)關(guān)系是非常密切的，故選擇基板材料在PCB設(shè)計(jì)中非常重要。在文獻(xiàn)(1)中，我們已經(jīng)探討了幾個(gè)重要的參數(shù)對(duì)Z0的影響。下面我們繼續(xù)探討其它因素對(duì)Z0的影響。

　　2銅箔厚度對(duì)Z0的影響

　　從公式(1)可看出銅箔厚度也是影響Z0的一個(gè)重要因素，銅箔厚度越大，其特性阻抗就越小，但其變化范圍相對(duì)是較小的。如圖2所示。

　　從圖2可知，盡管采用越薄的銅箔厚度可得到較高的Z0值，但是，其厚度變化對(duì)Z0值的貢獻(xiàn)不大，同時(shí)，其厚度變化范圍也不大，因此采用薄銅箔對(duì)Z0的貢獻(xiàn)，不如說是由于薄銅箔對(duì)制造精細(xì)導(dǎo)線來提高或控制特性阻抗值而作出貢獻(xiàn)更為確切得多。實(shí)際上，PCB產(chǎn)品的導(dǎo)線厚度，不僅只是覆銅箔的厚度，它還包括了在制板加工過程中帶來厚度的變化。 3PCB生產(chǎn)加工對(duì)Z0的影響

　　當(dāng)選定基板材料類型和完成高頻線路或高速數(shù)字線路的PCB設(shè)計(jì)之后，則預(yù)計(jì)的特性阻抗值已確定，但是真正要做到預(yù)計(jì)的特性阻抗或?qū)嶋H控制控制在預(yù)計(jì)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(dá)到。PCB生產(chǎn)加工對(duì)Z0的影響之因素非常多，也很復(fù)雜。今后PCB的Z0控制必將成為PCB生產(chǎn)中最為突出和最大難題之一。

　　4導(dǎo)線寬度控制的意義

　　4.1導(dǎo)線寬度控制的關(guān)鍵

　　導(dǎo)線寬度控制的關(guān)鍵是如何通過PCB生產(chǎn)加工全過程的管理與控制來達(dá)到OEM設(shè)計(jì)所預(yù)定的Z0值或控制Z0值在變化范圍內(nèi)。由于合適選定基板材料和完成PCB設(shè)計(jì)之后，介質(zhì)常數(shù)、介質(zhì)寬度和導(dǎo)線寬度等三個(gè)參數(shù)基本上相對(duì)固定下來了。盡管導(dǎo)線寬度和介質(zhì)厚度會(huì)受到PCB生產(chǎn)加工的影響，加濕法加工中的機(jī)械拋刷和微蝕刻會(huì)使銅箔層變薄些是有利于Z0的提高，而制造埋盲孔互連和外層圖形的孔化與電鍍又會(huì)使銅箔層加厚是不利于Z0的，因而應(yīng)注意加以控制。但是，導(dǎo)線的寬度則完全是由PCB生產(chǎn)加工出來的。同時(shí)，高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)木?xì)導(dǎo)線的制造仍是當(dāng)今高密度互連PCB的關(guān)鍵技術(shù)。而精細(xì)導(dǎo)線制造的實(shí)質(zhì)，從根本上來說就是精細(xì)導(dǎo)線的控制與管理問題。所以，作為信號(hào)傳輸線應(yīng)用的PCB制造，應(yīng)把導(dǎo)線寬度的制造作為關(guān)鍵問題來對(duì)待。

　　4.2導(dǎo)線寬度控制的含義

　　高頻信號(hào)和高速數(shù)字(邏輯)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)元件傳送出來并經(jīng)過PCB信號(hào)傳輸線送到接受元件處，這就是一種信號(hào)傳輸過程。在這個(gè)信號(hào)傳輸過程中，如果PCB的信號(hào)傳輸過程中，PCB的信號(hào)傳輸線之特性阻抗值Z與這兩個(gè)元件的“電子阻抗”完全相匹配(實(shí)際上接受元件的阻抗要大于驅(qū)動(dòng)元件的阻抗才合理)時(shí)，則所傳送的信號(hào)之能量便得到了完整的傳輸，這種情況是理想狀態(tài)。如果PCB的傳輸線Z0不匹配而產(chǎn)生變化偏差或變化偏差過大，則將會(huì)在傳輸信號(hào)的過程中發(fā)生反射、散失、衰減或時(shí)間延遲等問題。嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)鹜耆笆д妗倍邮懿坏皆瓉淼恼鎸?shí)信號(hào)。

　　因此，高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)要在PCB傳輸線中得到完整的傳輸，就必須做到在PCB傳輸線上的任何一點(diǎn)處的特性阻抗值Z0應(yīng)是均等才行，這就意味著在PCB傳輸線的任何一處的橫截面積(包括無缺陷而理想的)都必須是相同的。但是，在PCB傳輸線的實(shí)際生產(chǎn)加工中是不可能完全做到的。所以，PCB中傳輸線的控制，在基板材料確定之后，在雙面板中，實(shí)質(zhì)上是傳輸線的橫截面積尺寸一致性的控制問題；在多層板中實(shí)質(zhì)上是傳輸線橫截面積尺寸一致性和介質(zhì)厚度均勻性的控制，但主要還是傳輸線截面積尺寸一致性和完整性問題。由于PCB傳輸線的加工過程所涉及的加工工序和工藝參數(shù)(特別是動(dòng)態(tài)工藝參數(shù))太多，即使采用全自動(dòng)化生產(chǎn)加工也是難于做到的。因此人們只能把生產(chǎn)加工的PCB傳輸線整個(gè)橫截面積尺寸控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，所以PCB傳輸線的Z0也只能根據(jù)應(yīng)用對(duì)象而控制在設(shè)計(jì)規(guī)定數(shù)值之內(nèi)。

　　傳統(tǒng)上，PCB導(dǎo)線寬度偏差允許為±20%，這對(duì)于非傳輸線的常規(guī)電子產(chǎn)品用的PCB導(dǎo)線(導(dǎo)線長度小于信號(hào)波長的七分之一)來說，已經(jīng)能滿足要求了。但是對(duì)于有Z0控制要求的信號(hào)傳輸線來說，PCB導(dǎo)線寬度偏差±20%已不能滿足要求，因此，此時(shí)的誤差一般已超過±10%，而且Z0誤差還會(huì)隨著介質(zhì)厚度減薄而偏大。

　　從上述理論計(jì)算中可以得出這樣的認(rèn)識(shí)和結(jié)論，傳統(tǒng)的線寬誤差精度控制規(guī)定已不適用于傳輸線之要求了，必須根據(jù)傳輸線傳輸信號(hào)的特性來確定傳輸線寬度的誤差精度。如傳輸高頻信號(hào)的傳輸線，其精度控制要嚴(yán)得多，才能達(dá)到較小的Z0偏差值。這些要求可以根據(jù)公式(1)和已知的介質(zhì)厚度、導(dǎo)線厚度和Z0偏差值而計(jì)算出導(dǎo)線的精度(誤差)控制大小。

　　參考文獻(xiàn)

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