PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

?　1、電阻
　　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
　?。?）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
　?。?）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。
　?。?）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”。
　?。?）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。
　?。?）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。