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十二月 29 2020

影响PCB阻抗的主要因素有哪些


目录

1.表面微带线及特性阻抗
2.材料的介电常数
3.导线宽度及厚度
4.介质厚度(h)
5.关于印刷电路板的常见问题
结语

  印刷电路板(PCB)是大多数现代电子设备的基本构建块。无论是车库门开启器中使用的简单单层板,智能手表中的六层板,还是超级计算机和服务器中使用的60层极高密度和高速电路板,所有其他电子元件都组装在印刷电路板上面。半导体、连接器、电阻器、二极管、电容器和无线电设备安装在PCB上,并通过PCB相互“交谈”。PCB具有机械和电气特性,使其成为各种应用的理想选择。世界上制造的大多数PCB都是刚性的,今天制造的大约90%的PCB是刚性板。一些PCB是柔性的,允许电路弯曲和折叠成形状,或者有时它们用于柔性电路可以承受数十万次弯曲循环,电路中没有任何中断。这些柔性PCB约占市场的10%。其中刚性的电路板非常适合安装和连接组件。

  随着电子设备的小型化、数字化、高频化和多功能化发展,作为电子设备中电气的互连件—印刷电路板,己不仅只是电流流通与否的问题,而是作为信号传输线的作用。也就是说,对高频信号和高速数字信号的传输用PCB的电气测试,不仅要测量电路(或网络)的通、断和短路等是否符合要求,而且还应该测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。只有这两方向都合格了,印刷电路板才符合要求。因此本文就实际中常用的表面微带线结构多层板的特性阻抗控制的问题进行讨论。

印刷电路板

图1 印刷电路板

  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2。

表面微带线结构

  图2 表面微带线结构

  特性阻抗的计算公式为:

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

  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2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。可以进一步得出结论,特性阻抗与衬底材料(CCL材料)密切相关。因此,在选择基板材料时必须考虑很多因素。

  2.材料的介电常数

  材料的介电常数由材料制造商在频率低于1MHz时测量。即使是同一种材料,由于树脂含量不同,在不同厂家生产时也可能有所不同。以环氧玻璃布为例。环氧玻璃布的介电常数与频率的关系可归纳为下图。

介电常数与频率的关系

  图3 介电常数与频率的关系

  由图3可知,介电常数是随着频率的增加而减小,所以在实际应用中应根据工作频率确定材料的介电常数,参照图3。一般选用平均值即可满足要求,信号在介质材料中传输速度将随着介质常数增加而减小,因此要获得高的信号传输速度必须降低材料的介质常数;同时要获得高的传输速度就必须采用高的特性阻值,而高的特性阻抗必须选用低的介质常数材料。

  图中横坐标取了对数刻度,也即频率变化范围为0.1~10000(MHz)。

  3.导线宽度及厚度

  导线宽度是影响特性阻抗变化的主要参数之一。图3以表面微带线为例,说明阻抗值与导线宽度的关系。

导线宽度、介质厚度与特性阻抗的关系

  图4 导线宽度、介质厚度与特性阻抗的关系

  从图4中可以看到当导线宽度改变0.025mm时,就会引起阻抗值相应的变化5~6Ω。而在实际生产中如果控制阻抗的信号线面使用18um铜箔,可允许的导线宽度变化公差为±0.015mm。如果控制阻抗的变化公差为35um铜箔,可允许的导线宽度变化公差为±0.003 mm。由此可见,生产中所允许的导线宽度变化会导致阻抗值发生很大的改变。导线的宽度是设计者根据多种设计要求确定的,它既要满足导线载流量和温升的要求,又要得到所期望的阻抗值,这就要求生产者在生产中应该保证线宽符合设计要求,并使其变化在公差范围内以适应阻抗的要求。

  导线厚度也是根据导体所要求的载流量以及允许的温升确定的,在生产中为了满足使用要求,镀层厚度一般平均为25um,导线厚度等于铜箔厚度加上镀层厚度,需要注意的是电镀前一度要保证导线表面清洁,不应粘有残余物和修板油黑,而导致电镀时铜没有镀上,使局部导线厚度发生变化,影响特性阻抗值;另外,在刷板过程中,一定要小心操作,不要因此而改变了导线厚度,导致阻抗值发生变化。

  4.介质厚度(h)

  从公式(1)中可看出,特性阻抗Z0是与介质厚度的自然对数成正比的,因而可知介质厚度越厚,其Z0越大。所以介质厚度是影响特性阻值的另一个主要因素。因为导线宽度和材料的介电常数在生产前就已经确定。导线厚度工艺要求也可作为一个定值。所以控制层压厚度(介质厚度)是生产中控制特性阻抗的主要手段。从图4可以得出特性阻抗值与介质厚度变化之间的关系。由图中可以看出,当介质厚度改变0.025mm时,就会引起阻抗值相应的变化+5~8Ω;而在实际生产过程中,所允许的每层层压厚度变化将导致阻抗值发生很大的改变,在实际生产中是选用不同型号的半固化片作为绝缘介质,根据半固化片的数量确定绝缘介质的厚度;以表面微带线为例,生产过程中可以参照图3,确定相应工作频率下绝缘材料的介电常数,然后利用公式计算出相应的Z0,再根据用户提出的导线宽度值和计算值Z0,通过图4查出相对应的介质厚度,然后根据所选用的覆铜板和铜箔的厚度确定半固化片的型号和张数。

不同结构的介质厚度对Z0的影响

  图5 不同结构的介质厚度对Z0的影响

  从图5可以看出,微带线结构的设计比起带状线设计时,在相同介质厚度和材料下,具有较高的特性阻抗值,一般要大20~40Ω。因此,对高频和高速数字信号传输大多采用微带线结构的设计;同时,特性阻抗值将随着介质厚度的增加而增大,所以对于特性阻抗值严格控制的高频线路来说,对覆铜板的介质厚度的误差应提出严格要求;一般来说,其介质厚度变化不超过10%,对于多层板来说,介质厚度还是个加工因素,特别是与多层层压加工密切相关,因此也应严密加以控制。

  5.关于印刷电路板的常见问题

  5.1PCB是什么意思?

  印刷电路板(PCB)是大多数现代电子设备的基本构建块。

  5.2印刷电路板(PCB)的应用有哪些?

  印刷电路板(PCB)使用导电通路、轨道或信号迹线从层压到非导电基板上的铜板蚀刻而成,用于机械支撑和电气连接电子元件,用于制造商用机器和计算机以及通信。

  5.3印刷电路板(PCB)是用什么做的?

  PCB它是一种机械底座,包含反映设计原理图的轨道和封装。现代PCB通常由覆盖有铜层的非导电基板制成。

  5.4印刷电路板(PCB)有多少种类型?

  PCB的构造有三种,即单面、双面和多层。PCB上的元件通过两种不同的方法(孔技术和表面贴装)与电路进行电气连接。

  5.5为什么日常生活中需要PCB?

  印刷电路板(PCB)在所有用于家用或工业用途的电子产品中都非常重要。PCB设计服务用于设计电子电路。除了电气连接外,它还为电气组件提供机械支撑。

  5.6为什么印刷电路板(PCB)比面包板更受欢迎?

  与面包板相比具有更好的载流能力。走线可以更宽,以便更多电流通过。端子可以添加到PCB以进行外部连接,可以使PCB刚性。

  5.7哪种类型的PCB性价比相对较高?

  铝背板广泛取代传统的玻璃纤维基板印刷电路板,具有许多优点,成为大多数专业人士的理想选择。铝价格低廉,几乎占地球重量的8.23%,是最经济的制造工艺。

  5.8哪种类型的电路板具有永久连接?

  焊接印刷电路板具有永久性焊接,印刷电路板具有连接放置元件的孔的铜迹线。它们专为每个电路设计,使施工非常容易。

  结语

  以上就是影响PCB阻抗的主要因素介绍了。在实际生产中,导线的宽度、厚度、绝缘材料的介电常数和绝缘介质厚度的稍微改变都会引起特性阻抗值发生变化。另外特性阻抗值还会与其它生产因素有关,所以,为了实现对特性阻抗的控制,生产者必须了解影响特性阻抗值变化的因素,掌握实际生产条件,根据设计者提出的要求,调整各个工艺参数,使其变化在所允许的公差范围内,以得到期望的阻抗值。

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