阻抗(Z)一般定义为器件或电路在特定频率下提供电流时所遇到的总阻力(阻抗、容抗、感抗)。阻抗是显示电子电路、元器件及元器件材料特性的最重要参数。
在电子设备的传输信号线中,高频信号在传输线中传播时所遇到的阻力称为特性阻抗(Z0)。
随着电子产品对信号传输的要求越来越高,很多印刷电路板都有特性阻抗的要求。特别是在通讯领域。主要有以下几点:
电子设备的工作频率不断提高
高保真信号传输
集成电路IC及SMT技术发展
PCB 上嵌入元件
电子电路需要具有抗干扰、抗串扰和高稳定性的能力。
从传输线理论来看,导线相对于参考层(参考平面)的电阻、电感、漏电导(漏电阻的倒数)和分布电容是不可忽略的,它们对信号在导线中的传输速度和传输的能量都有影响;导线上传输的信号电平不仅是时间t的函数,也是距离”x的函数;具有传输特性的导线上各点的电流都是不同的。
作为PCB上的导线,同一根导线的线宽通常是均匀的,导线与相对参考层之间的介质和厚度也基本相同。因此,PCB导线应该看作是均匀的传输线。可以用下图(a)来分析,整段导线可以看作是n条单位长度的传输线,有相应的等效电路,如图(b)所示。
阻抗种类繁多,分类方法也各有不同,一般按线径数量及传输方式来划分阻抗:
单端阻抗:由一条线加地层组成。
差分阻抗:由两条线加地层组成。
微带线是一种阻抗线,其一侧与接地层平行,中间用介质隔开,另一侧有阻焊层或者什么都没有。
带状线是一种用接地层将线路上下两边隔开的阻抗线,这种阻抗线称为带状阻抗线,与微带线相比,信号不容易受到干扰。
控制阻抗有很多种,最常用的阻抗计算软件 Polar-Si90 中就有 8000 多种阻抗,但最常用的是以下 4 种类型及其 2 种变体:
表面微带
偏移带状线
边缘耦合表面微带
边缘耦合偏移带状线
阻抗值受PCB材料厚度、材料介电常数(Er)或相对介电常数(Dk)、导体宽度/间距、导体厚度铜厚度以及信号传输频率的影响,这些因素是PCB设计人员需要考虑的。作为PCB制造商,我们认为有5个因素会影响阻抗值,它们是:
介电厚度
导体线宽/间距
介电常数
导体厚度
阻焊厚度
阻抗值(Z0)与介质厚度(H)的关系:介质越厚,Z0越大
阻抗值(Z0)与导体宽度(W)的关系:线宽越大,Z0越小
阻抗值(Z0)对电介质Er(Er):Er越大,Z0越小
阻抗值(Z0)与导体厚度(T):导体厚度越厚,Z0越小
阻抗值(Z0)与阻焊层厚度(T)的关系:阻焊层厚度越厚,Z0越小
影响阻抗的因素 | 阻抗值影响 |
---|---|
介电厚度 | 48% |
导体宽度/间距 | 24% |
介电常数 | 16% |
铜导体厚度 | 8% |
阻焊厚度 | 4% |
在生产之前,PCB 制造公司的工程师将审查 Gerber 文件并建议合适的材料和堆叠以满足客户的阻抗要求。请参考我们工程师提供的以下控制阻抗匹配技术。
增加介质厚度可以增大阻抗值,减少介质厚度可以减小阻抗值。工程设计、层压板压合控制、来料公差是控制介质厚度的关键。
增加线宽可以降低阻抗,减少线宽则增加阻抗。线宽主要通过蚀刻和设计来控制。
减小导体粗细可以增大阻抗值,增加线路粗细可以减小阻抗。导线粗细可以通过图形电镀或选择相应厚度的基材铜箔来控制。
一般来说,在PCB上印刷阻焊层会降低阻抗值:单端降低2欧姆,差值降低8欧姆。2次阻焊层将使阻抗降低2倍。3次或更多次阻焊层印刷应该有助于降低阻抗值。
当生产具有受控阻抗的 PCB 时,我们需要确保阻抗值与客户的要求相同。因此,我们会在发货前测试阻抗值。
阻抗测试就是通过示波器发出一个脉冲波后,接收反射波,然后对两个脉冲波进行比较分析,由传输能量的大小得出阻抗值。
我们会在每个PCB板上添加阻抗测试片,阻抗线/迹线与PCB相同。它是在与印刷电路板生产相同的工艺条件下制作的。因此,如果测试片上的阻抗值符合要求,那么我们就可以确保印刷电路板上的阻抗符合要求。
时域反射仪是一种特殊的示波器,它内部可以产生脉冲波,并具有接收和分析这种脉冲的功能。我们将利用TDR时域反射仪来测量这些阻抗值。
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