影响印刷电路板特性阻抗的其它因素

田丽 曹安照
(安徽工程科技学院电气系，安徽芜湖 241000)

　　摘 要：继文献［1］后，本文进一步分析了影响特性阻抗的其它因素，重点讨论了介质常数对PCB特性阻抗的影响。

　　关键词：印刷电路板 特性阻抗 介质常数?

　　概述

　　随着信号传送速度迅猛的提高和高频电路的广泛应用，对印刷电路板也提出了更高的要求。印刷电路板提供的电路性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现象，信号保持完整，降低传输损耗，起到匹配阻抗的作用，这样才能得到完整、可靠、精确、无干扰、噪音的传输信号。本文在文献［1］的基础上进一步探讨了其它影响PCB特性阻抗的因素，特别是介质常数的影响。

　　1表面微带线及特性阻抗

　　表面微带线的特性阻抗值较高并在实际中广泛采用，它的外层为控制阻抗的信号线面，它和与之相邻的基准面之间用绝缘材料隔开，见图1。

　　特性阻抗的计算公式为：

　　Z0：印刷导线的特性阻抗

　　εr：绝缘材料的介电常数

　　h：印刷导线与基准面之间的介质厚度

　　w：印刷导线的宽度

　　t：印刷导线的厚度

　　从图1以及公式(1)可以看出：影响特性阻抗的主要因素是：(1)介质常数εr；(2)介质厚度h；(3)导线宽度w；(4)导线厚度t等。因而可知，特性阻抗与基板材料(覆铜板材)关系是非常密切的，故选择基板材料在PCB设计中非常重要。在文献(1)中，我们已经探讨了几个重要的参数对Z0的影响。下面我们继续探讨其它因素对Z0的影响。

　　2铜箔厚度对Z0的影响

　　从公式(1)可看出铜箔厚度也是影响Z0的一个重要因素，铜箔厚度越大，其特性阻抗就越小，但其变化范围相对是较小的。如图2所示。

　　从图2可知，尽管采用越薄的铜箔厚度可得到较高的Z0值，但是，其厚度变化对Z0值的贡献不大，同时，其厚度变化范围也不大，因此采用薄铜箔对Z0的贡献，不如说是由于薄铜箔对制造精细导线来提高或控制特性阻抗值而作出贡献更为确切得多。实际上，PCB产品的导线厚度，不仅只是覆铜箔的厚度，它还包括了在制板加工过程中带来厚度的变化。 3PCB生产加工对Z0的影响

　　当选定基板材料类型和完成高频线路或高速数字线路的PCB设计之后，则预计的特性阻抗值已确定，但是真正要做到预计的特性阻抗或实际控制控制在预计的特性阻抗值的范围内，只有通过PCB生产加工过程的管理与控制才能达到。PCB生产加工对Z0的影响之因素非常多，也很复杂。今后PCB的Z0控制必将成为PCB生产中最为突出和最大难题之一。

　　4导线宽度控制的意义

　　4.1导线宽度控制的关键

　　导线宽度控制的关键是如何通过PCB生产加工全过程的管理与控制来达到OEM设计所预定的Z0值或控制Z0值在变化范围内。由于合适选定基板材料和完成PCB设计之后，介质常数、介质宽度和导线宽度等三个参数基本上相对固定下来了。尽管导线宽度和介质厚度会受到PCB生产加工的影响，加湿法加工中的机械抛刷和微蚀刻会使铜箔层变薄些是有利于Z0的提高，而制造埋盲孔互连和外层图形的孔化与电镀又会使铜箔层加厚是不利于Z0的，因而应注意加以控制。但是，导线的宽度则完全是由PCB生产加工出来的。同时，高频信号和高速数字信号传输的精细导线的制造仍是当今高密度互连PCB的关键技术。而精细导线制造的实质，从根本上来说就是精细导线的控制与管理问题。所以，作为信号传输线应用的PCB制造，应把导线宽度的制造作为关键问题来对待。

　　4.2导线宽度控制的含义

　　高频信号和高速数字(逻辑)信号从驱动元件传送出来并经过PCB信号传输线送到接受元件处，这就是一种信号传输过程。在这个信号传输过程中，如果PCB的信号传输过程中，PCB的信号传输线之特性阻抗值Z与这两个元件的“电子阻抗”完全相匹配(实际上接受元件的阻抗要大于驱动元件的阻抗才合理)时，则所传送的信号之能量便得到了完整的传输，这种情况是理想状态。如果PCB的传输线Z0不匹配而产生变化偏差或变化偏差过大，则将会在传输信号的过程中发生反射、散失、衰减或时间延迟等问题。严重时，甚至会引起完全“失真”而接受不到原来的真实信号。

　　因此，高频信号和高速数字信号要在PCB传输线中得到完整的传输，就必须做到在PCB传输线上的任何一点处的特性阻抗值Z0应是均等才行，这就意味着在PCB传输线的任何一处的横截面积(包括无缺陷而理想的)都必须是相同的。但是，在PCB传输线的实际生产加工中是不可能完全做到的。所以，PCB中传输线的控制，在基板材料确定之后，在双面板中，实质上是传输线的横截面积尺寸一致性的控制问题；在多层板中实质上是传输线横截面积尺寸一致性和介质厚度均匀性的控制，但主要还是传输线截面积尺寸一致性和完整性问题。由于PCB传输线的加工过程所涉及的加工工序和工艺参数(特别是动态工艺参数)太多，即使采用全自动化生产加工也是难于做到的。因此人们只能把生产加工的PCB传输线整个横截面积尺寸控制在规定的范围之内，所以PCB传输线的Z0也只能根据应用对象而控制在设计规定数值之内。

　　传统上，PCB导线宽度偏差允许为±20%，这对于非传输线的常规电子产品用的PCB导线(导线长度小于信号波长的七分之一)来说，已经能满足要求了。但是对于有Z0控制要求的信号传输线来说，PCB导线宽度偏差±20%已不能满足要求，因此，此时的误差一般已超过±10%，而且Z0误差还会随着介质厚度减薄而偏大。

　　从上述理论计算中可以得出这样的认识和结论，传统的线宽误差精度控制规定已不适用于传输线之要求了，必须根据传输线传输信号的特性来确定传输线宽度的误差精度。如传输高频信号的传输线，其精度控制要严得多，才能达到较小的Z0偏差值。这些要求可以根据公式(1)和已知的介质厚度、导线厚度和Z0偏差值而计算出导线的精度(误差)控制大小。

　　参考文献

　　1田丽.影响印刷电路板(PCB)的特性阻抗因素及对策.自动化与仪器化表［J］，2003(2)：48-49

　　2张家亮.改善PCB基材介电性能的材料动态.印刷电路信息［J］，2000.(4): 11-14

　　3祝大同.PCB基板材料走向高性能、系列化.印刷电路信息［J］，.2000.(4): 16-21

　　4Motorala Application Note.Transmission Lion Effects in PCB Application［J］，AN1051