印刷電路板(PCB)是大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備的基本構(gòu)建塊。無(wú)論是車庫(kù)門開(kāi)啟器中使用的簡(jiǎn)單單層板，智能手表中的六層板，還是超級(jí)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器中使用的60層極高密度和高速電路板，所有其他電子元件都組裝在印刷電路板上面。半導(dǎo)體、連接器、電阻器、二極管、電容器和無(wú)線電設(shè)備安裝在PCB上，并通過(guò)PCB相互“交談”。PCB具有機(jī)械和電氣特性，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。世界上制造的大多數(shù)PCB都是剛性的，今天制造的大約90%的PCB是剛性板。一些PCB是柔性的，允許電路彎曲和折疊成形狀，或者有時(shí)它們用于柔性電路可以承受數(shù)十萬(wàn)次彎曲循環(huán)，電路中沒(méi)有任何中斷。這些柔性PCB約占市場(chǎng)的10%。其中剛性的電路板非常適合安裝和連接組件。
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(wèn)題，而是作為信號(hào)傳輸線的作用。也就是說(shuō)，對(duì)高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)的傳輸用PCB的電氣測(cè)試，不僅要測(cè)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(cè)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(shí)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(wèn)題進(jìn)行討論。
圖1 印刷電路板
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(kāi)。見(jiàn)圖2。
圖2 表面微帶線結(jié)構(gòu)
特性阻抗的計(jì)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(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2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。可以進(jìn)一步得出結(jié)論，特性阻抗與襯底材料(CCL材料)密切相關(guān)。因此，在選擇基板材料時(shí)必須考慮很多因素。
2.材料的介電常數(shù)
材料的介電常數(shù)由材料制造商在頻率低于1MHz時(shí)測(cè)量。即使是同一種材料，由于樹脂含量不同，在不同廠家生產(chǎn)時(shí)也可能有所不同。以環(huán)氧玻璃布為例。環(huán)氧玻璃布的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系可歸納為下圖。
圖3 介電常數(shù)與頻率的關(guān)系
由圖3可知，介電常數(shù)是隨著頻率的增加而減小，所以在實(shí)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?qǐng)D3。一般選用平均值即可滿足要求，信號(hào)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(hào)傳輸速度必須降低材料的介質(zhì)常數(shù);同時(shí)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(biāo)取了對(duì)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(shuō)明阻抗值與導(dǎo)線寬度的關(guān)系。
圖4 導(dǎo)線寬度、介質(zhì)厚度與特性阻抗的關(guān)系
從圖4中可以看到當(dāng)導(dǎo)線寬度改變0.025mm時(shí)，就會(huì)引起阻抗值相應(yīng)的變化5～6Ω。而在實(shí)際生產(chǎn)中如果控制阻抗的信號(hào)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(jiàn)，生產(chǎn)中所允許的導(dǎo)線寬度變化會(huì)導(dǎo)致阻抗值發(fā)生很大的改變。導(dǎo)線的寬度是設(shè)計(jì)者根據(jù)多種設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)銅沒(méi)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(guò)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(duì)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(gè)主要因素。因?yàn)閷?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(gè)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4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(dāng)介質(zhì)厚度改變0.025mm時(shí)，就會(huì)引起阻抗值相應(yīng)的變化+5～8Ω;而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(shí)際生產(chǎn)中是選用不同型號(hào)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(guò)程中可以參照?qǐng)D3，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(jì)算出相應(yīng)的Z0，再根據(jù)用戶提出的導(dǎo)線寬度值和計(jì)算值Z0，通過(guò)圖4查出相對(duì)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(hào)和張數(shù)。
圖5 不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)厚度對(duì)Z0的影響
從圖5可以看出，微帶線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比起帶狀線設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)高頻和高速數(shù)字信號(hào)傳輸大多采用微帶線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);同時(shí)，特性阻抗值將隨著介質(zhì)厚度的增加而增大，所以對(duì)于特性阻抗值嚴(yán)格控制的高頻線路來(lái)說(shuō)，對(duì)覆銅板的介質(zhì)厚度的誤差應(yīng)提出嚴(yán)格要求;一般來(lái)說(shuō)，其介質(zhì)厚度變化不超過(guò)10%，對(duì)于多層板來(lái)說(shuō)，介質(zhì)厚度還是個(gè)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(yán)密加以控制。
5.關(guān)于印刷電路板的常見(jiàn)問(wèn)題
5.1PCB是什么意思?
印刷電路板(PCB)是大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備的基本構(gòu)建塊。
5.2印刷電路板(PCB)的應(yīng)用有哪些?
印刷電路板(PCB)使用導(dǎo)電通路、軌道或信號(hào)跡線從層壓到非導(dǎo)電基板上的銅板蝕刻而成，用于機(jī)械支撐和電氣連接電子元件，用于制造商用機(jī)器和計(jì)算機(jī)以及通信。
5.3印刷電路板(PCB)是用什么做的?
PCB它是一種機(jī)械底座，包含反映設(shè)計(jì)原理圖的軌道和封裝。現(xiàn)代PCB通常由覆蓋有銅層的非導(dǎo)電基板制成。
5.4印刷電路板(PCB)有多少種類型?
PCB的構(gòu)造有三種，即單面、雙面和多層。PCB上的元件通過(guò)兩種不同的方法(孔技術(shù)和表面貼裝)與電路進(jìn)行電氣連接。
5.5為什么日常生活中需要PCB?
印刷電路板(PCB)在所有用于家用或工業(yè)用途的電子產(chǎn)品中都非常重要。PCB設(shè)計(jì)服務(wù)用于設(shè)計(jì)電子電路。除了電氣連接外，它還為電氣組件提供機(jī)械支撐。
5.6為什么印刷電路板(PCB)比面包板更受歡迎?
與面包板相比具有更好的載流能力。走線可以更寬，以便更多電流通過(guò)。端子可以添加到PCB以進(jìn)行外部連接，可以使PCB剛性。
5.7哪種類型的PCB性價(jià)比相對(duì)較高?
鋁背板廣泛取代傳統(tǒng)的玻璃纖維基板印刷電路板，具有許多優(yōu)點(diǎn)，成為大多數(shù)專業(yè)人士的理想選擇。鋁價(jià)格低廉，幾乎占地球重量的8.23%，是最經(jīng)濟(jì)的制造工藝。
5.8哪種類型的電路板具有永久連接?
焊接印刷電路板具有永久性焊接，印刷電路板具有連接放置元件的孔的銅跡線。它們專為每個(gè)電路設(shè)計(jì)，使施工非常容易。
結(jié)語(yǔ)
以上就是影響PCB阻抗的主要因素介紹了。在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)線的寬度、厚度、絕緣材料的介電常數(shù)和絕緣介質(zhì)厚度的稍微改變都會(huì)引起特性阻抗值發(fā)生變化。另外特性阻抗值還會(huì)與其它生產(chǎn)因素有關(guān)，所以，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特性阻抗的控制，生產(chǎn)者必須了解影響特性阻抗值變化的因素，掌握實(shí)際生產(chǎn)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)者提出的要求，調(diào)整各個(gè)工藝參數(shù)，使其變化在所允許的公差范圍內(nèi)，以得到期望的阻抗值。
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