阻抗培训教材.pdf

MeadvilleConfidentialServethroughPeople……ConnectthroughTechnology特性阻抗控制介绍培训CharacteristicImpedanceControlMeadvilleConfidential2ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology内容•一、什么是特性阻抗•二、特性阻抗种类•三、影响特性阻抗主要因素•四、特性阻抗计算软件•五、阻抗条&Polar介绍MeadvilleConfidential3ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology什么是特性阻抗—磁场原理MeadvilleConfidential4ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology特性阻抗：高频讯号或电磁波在电子机器讯号传输线传输时所受到阻力，即为特性阻抗，它是指电阻、电感和电容三者对交流电流的共同阻碍作用的大小。其符号为Zo，简称阻抗，英文为CharacteristicImpedance。阻抗控制：指客户对板件的特性阻抗控制有要求，并且按照阻抗计算公式计算后必须采取措施控制PCB板上的阻抗位于一定的范围(公差)以内，并控制同一个网格上的阻抗是一个常数。什么是特性阻抗—特性阻抗MeadvilleConfidential5ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology减少或杜绝高频信号传输过程信号的损失；避免传输信号线之间的杂讯干扰。当信号在PCB导线中传输时，若导线的长度不小于信号波长的1/7时，此时的导线便成为信号传输线。对于信号传输线，若线路特性阻抗控制不当，信号(或能量)会反射(或部分反射)回来，使得信号无法传送或受到干扰。因此，为保持传输信号的完整、可靠、精确、无干扰、无噪音，需要高精度控制特性阻抗。阻抗控制要求愈趋严格，公司竞争愈趋激烈。当前阻抗控制公差在10%，甚至5%以内，难度相当高。什么是特性阻抗—信号传输线定义MeadvilleConfidential6ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology•目前在做阻抗板的ICS中，内容最多大部分停留在阻抗确认中，且大多的工程反馈中均体现“满足阻抗要求”而进行线宽，线距的调整。•布线和PCB工厂之间良好的沟通，才能很好的即满足信号传输完成性要求，又有利于PCB工厂品质的稳定.什么是特性阻抗—布线Vs生产MeadvilleConfidential7ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology阻抗类型：从四种阻抗类型来看，按其控制难度从难到易依次为：内层双线差动~外层双线差动外层覆阻焊单线阻抗内层单线阻抗。在计算加工难度最大的内层双线阻抗传输线的时候通常有如下类型：微带线和带状线，对于他们的区分，最简单的理解是，微带线只有1个参考层，而带状线有2个参考层。阻抗分类MeadvilleConfidential8ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology阻抗模型--IMeadvilleConfidential9ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology阻抗模型—IIMeadvilleConfidential10ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology例一：微带线微带线在实际中广泛采用，其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。式中：Z0-----导线的特性阻抗r------绝缘材料的介电常数h------导线与基准面之间的介质厚度w-----导线的宽度t------导线的厚度其计算公式：影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential11ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology例二：带状线带状线是指镶嵌在两个交流地层间的薄细导线，与微带线比较，每层电路与地层的电子耦合更近，电流间的串扰会更低。式中：Z0-----导线的特性阻抗r------绝缘材料的介电常数h------导线与基准面之间的介质厚度w-----导线的宽度t------导线的厚度其计算公式：影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential12ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology从上述公式及图示可以看出，影响特性阻抗的主要因素有：众多研究表面：特性阻抗还受阻焊油墨厚度影响，各因素与阻抗的关系图如下：介质厚度阻抗导线厚度阻抗导线宽度阻抗油墨厚度阻抗介电常数阻抗影响特性阻抗主要因素—总论介电常数、介质厚度、导线宽度、导线厚度等。MeadvilleConfidential13ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology根据阻抗的结构图及各相关因素的公式可计算出各因素的贡献度：设计前需要选好电路板选用的基板材料、覆铜板材（铜箔厚度）、介质层伙伴固化片的材料（介电常数）、油墨等。介电常数油墨厚度介质厚度导线宽度导线厚度影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential14ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology材料的介电常数是材料在一定频率为(如1MHz)下测量确定的。不同生产厂家生产的同种材料由于其树脂含量不同而不同。例一：环氧玻璃布的介电常数与频率变化关系如下：图中横坐标为对数刻度，即频率变化范围为0.1～10000MHz介电常数是随着频率的增加而减小影响特性阻抗主要因素介电常数:---参考MeadvilleConfidential15ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology例二：不同P片介电常数随树脂含量和工作频率变化列表：:---参考B片种类不同工作频率的介电常数1MHz1GHz76284.524.167628H(50%)4.424.047628(41%)4.604.2321164.384.002116H(56%)4.303.9010804.153.7015004.504.141064.023.54影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential16ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology不同结构介电常数计算原理混合材料:---参考对于目前使用的各种材料，不论是FR-4还是其他的特殊材料，都是由两种以上的材料混合而成的。而各种材料的相对介电常数不同，对于混合材料，各组份的电性能不能单独体现，其介电常数计算通常按照其体积比加权处理。表面微带线：εr=(ε1×V1+ε2×V2+...+εn×Vn)/(V1+...+Vn)（其中ε1、V1为某种组分材料的介电常数及其体积）影响特性阻抗主要因素--介电常数MeadvilleConfidential17ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology混压材料:---参考混压材料各组分会保留各自的电性能，此时的总体相对介电常数不可以根据各自的体积比进行计算。层间微带线及差分线：εr=(ε1×T2+ε2×T1)/(T1+T2)表面微带线及差分线：εr=(T1+T2)×ε1×ε2/(ε2×T1+ε1×T2)（其中ε1、T1为某种组分材料的介电常数及其厚度）影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential18ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology阻抗类型内层铜厚蚀刻后绿油前(与设计值比较)绿油后(与绿油前比较)外层覆阻焊单线阻抗---平均大5.90降低3.6-6.4内层单线阻抗1.38mil1.26mil平均大4.20平均大3.70不变外层覆阻焊双线差动---平均大14.6降低5-14内层双线差动1.38mil1.26mil平均大8.00平均大7.00不变原因：对外层阻抗而言，绿油的介电常数(绿油后)与空气的介电常数(绿油前)不同。影响特性阻抗主要因素阻焊油墨:---参考MeadvilleConfidential19ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology从公式可以看出：特性阻抗Z0与介质厚度的自然对数成正比，特性阻抗值Z0会随介质厚度的增加而增加。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。在实际生产过程中，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。影响特性阻抗主要因素介质厚度:---参考MeadvilleConfidential20ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology特性阻抗值随介质厚度的增加而增大，即使在相同介质厚度和材料下，微带线结构的设计比带状线设计具有较高的特性阻抗值，一般大20-40。因此，对于高频和高速数字信号传输大多采用微带线结构设计。---参考！影响特性阻抗主要因素MeadvilleConfidential21ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology导线厚度依导体所要求的载流量以及允许的温升而确定。导线厚度等于铜箔厚度加上镀层厚度。导线厚度主要受以下一些因素的影响：基板或敷铜箔的厚度。前处理中的机械刷磨和微蚀刻会使铜厚变薄。电镀会使铜变厚。影响特性阻抗主要因素—线厚(铜厚)导线厚度MeadvilleConfidential22ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology导线厚度越大，其特性阻抗就越小，但影响相对较小。影响特性阻抗主要因素—线厚(铜厚)MeadvilleConfidential23ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology从图中可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。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±0.5mm。在实际生产中如果控制阻抗的变化公差为3um铜箔，可允许的导线宽度变化公差为±0.003mm。影响特性阻抗主要因素—线宽以表面微带线为例，阻抗值与导线宽度的关系如右图：导线宽度MeadvilleConfidential24ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology对比导线宽度和导线厚度变化对Z0的影响：导线宽度变化对Z0的影响更为明显。如下图：导线厚度对Z0的影响0204060801000.10.20.30.40.50.60.7线厚度（mm）特性阻抗（Z0）单线阻抗差模阻抗导线宽度对特性阻抗Z0的影响0204060801001200.10.20.30.40.50.60.7导线宽度(mm)特性阻抗（Z0）单线阻抗差模阻抗w=0.15、H=0.2、εr=4.6T=0.05、H=0.2、εr=4.6影响特性阻抗主要因素—线宽MeadvilleConfidential25ServethroughPeople……ConnectthroughTechnology当PCB设计完成之后，介电常数、介质宽度和导线厚度三个参数基本上就相对固定下来。而导线宽度完全是由PCB生产过程中加工出来的。•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。改变和控制线宽是控制PCB特性阻抗值和变化范围的最根本途径和方法。•高频信号和高速数字信号传输的精细导线制造技术仍然是当今PCB制造的关键技术之一。影响特性阻抗主要因素—线宽MeadvilleConfidential26ServethroughPeopl