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上海歐戟貿(mào)易有限公司

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隨著電子設(shè)備的小型化、數(shù)字化、高頻化和多功能化發(fā)展，作為電子設(shè)備中電氣的互連件—印刷電路板，己不僅只是電流流通與否的問題，而是作為信號傳輸線的作用。也就是說，對高頻信號和高速數(shù)字信號的傳輸用PCB的電氣測試，不僅要測量電路(或網(wǎng)絡(luò))的通、斷和短路等是否符合要求，而且還應(yīng)該測量特性阻抗值是否在規(guī)定的合格范圍內(nèi)。只有這兩方向都合格了，印刷電路板才符合要求。因此本文就實際中常用的表面微帶線結(jié)構(gòu)多層板的特性阻抗控制的問題進行討論。
 

　　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際中廣泛采用，它的外層為控制阻抗的信號線面，它和與之相鄰的基準面之間用絕緣材料隔開。見圖1。

　　圖1 表面微帶線結(jié)構(gòu)

　　特性阻抗的計算公式為：

　　Z0=87/SQRT(εr+1.41)×ln[(5.98h)/(0.8w+t)] (1)

　　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)計中非常重要。

　　2.材料的介電常數(shù)

　　材料的介電常數(shù)是材料的生產(chǎn)廠家在頻率為1 MHz下測量確定的，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同種材料由于其樹脂含量不同而不同;本文以環(huán)氧玻璃布為例，研究了介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系。如圖2所示。

　　圖2 介電常數(shù)與頻率的關(guān)系

　　由圖2可知，介電常數(shù)是隨著頻率的增加而減小，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工作頻率確定材料的介電常數(shù)，參照圖2。一般選用平均值即可滿足要求，信號在介質(zhì)材料中傳輸速度將隨著介質(zhì)常數(shù)增加而減小，因此要獲得高的信號傳輸速度必須降低材料的介質(zhì)常數(shù);同時要獲得高的傳輸速度就必須采用高的特性阻值，而高的特性阻抗必須選用低的介質(zhì)常數(shù)材料。

　　圖中橫坐標取了對數(shù)刻度，也即頻率變化范圍為0.1～10000(MHz)。

　　3.導(dǎo)線寬度及厚度

　　導(dǎo)線寬度是影響特性阻抗變化的主要參數(shù)之一。圖3以表面微帶線為例，說明阻抗值與導(dǎo)線寬度的關(guān)系。

　　圖3 導(dǎo)線寬度、介質(zhì)厚度與特性阻抗的關(guān)系

　　從圖3中可以看到當導(dǎo)線寬度改變0.025mm時，就會引起阻抗值相應(yīng)的變化5～6Ω。而在實際生產(chǎn)中如果控制阻抗的信號線面使用18um銅箔，可允許的導(dǎo)線寬度變化公差為±0.015mm。如果控制阻抗的變化公差為35um銅箔，可允許的導(dǎo)線寬度變化公差為±0.003 mm。由此可見，生產(chǎn)中所允許的導(dǎo)線寬度變化會導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變。導(dǎo)線的寬度是設(shè)計者根據(jù)多種設(shè)計要求確定的，它既要滿足導(dǎo)線載流量和溫升的要求，又要得到所期望的阻抗值，這就要求生產(chǎn)者在生產(chǎn)中應(yīng)該保證線寬符合設(shè)計要求，并使其變化在公差范圍內(nèi)以適應(yīng)阻抗的要求。

　　導(dǎo)線厚度也是根據(jù)導(dǎo)體所要求的載流量以及允許的溫升確定的，在生產(chǎn)中為了滿足使用要求，鍍層厚度一般平均為25um，導(dǎo)線厚度等于銅箔厚度加上鍍層厚度，需要注意的是電鍍前一度要保證導(dǎo)線表面清潔，不應(yīng)粘有殘余物和修板油黑，而導(dǎo)致電鍍時銅沒有鍍上，使局部導(dǎo)線厚度發(fā)生變化，影響特性阻抗值;另外，在刷板過程中，一定要小心操作，不要因此而改變了導(dǎo)線厚度，導(dǎo)致阻抗值發(fā)生變化。

　　4.介質(zhì)厚度(h)

　　從公式(1)中可看出，特性阻抗Z0是與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比的，因而可知介質(zhì)厚度越厚，其Z0越大。所以介質(zhì)厚度是影響特性阻值的另一個主要因素。因為導(dǎo)線寬度和材料的介電常數(shù)在生產(chǎn)前就已經(jīng)確定。導(dǎo)線厚度工藝要求也可作為一個定值。所以控制層壓厚度(介質(zhì)厚度)是生產(chǎn)中控制特性阻抗的主要手段。從圖3可以得出特性阻抗值與介質(zhì)厚度變化之間的關(guān)系。由圖中可以看出，當介質(zhì)厚度改變0.025mm時，就會引起阻抗值相應(yīng)的變化+5～8Ω;而在實際生產(chǎn)過程中，所允許的每層層壓厚度變化將導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變，在實際生產(chǎn)中是選用不同型號的半固化片作為絕緣介質(zhì)，根據(jù)半固化片的數(shù)量確定絕緣介質(zhì)的厚度;以表面微帶線為例，生產(chǎn)過程中可以參照圖2，確定相應(yīng)工作頻率下絕緣材料的介電常數(shù)，然后利用公式計算出相應(yīng)的Z0，再根據(jù)用戶提出的導(dǎo)線寬度值和計算值Z0，通過圖3查出相對應(yīng)的介質(zhì)厚度，然后根據(jù)所選用的覆銅板和銅箔的厚度確定半固化片的型號和張數(shù)。

　　圖4 不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)厚度對Z0的影響

　　從圖4可以看出，微帶線結(jié)構(gòu)的設(shè)計比起帶狀線設(shè)計時，在相同介質(zhì)厚度和材料下，具有較高的特性阻抗值，一般要大20～40Ω。因此，對高頻和高速數(shù)字信號傳輸大多采用微帶線結(jié)構(gòu)的設(shè)計;同時，特性阻抗值將隨著介質(zhì)厚度的增加而增大，所以對于特性阻抗值嚴格控制的高頻線路來說，對覆銅板的介質(zhì)厚度的誤差應(yīng)提出嚴格要求;一般來說，其介質(zhì)厚度變化不超過10%，對于多層板來說，介質(zhì)厚度還是個加工因素，特別是與多層層壓加工密切相關(guān)，因此也應(yīng)嚴密加以控制。