影响 PCB 特性阻抗的要素及解决方案

为了适应小型化、数字化、高频化、多功能化的发展要求，PCBs（印刷电路板）上的金属线作为电子设备中的互连器件，不仅决定了电流的开通，还起到了作为信号传输线。换句话说，在负责传输高频信号和高速数字信号的PCB上进行电气测试，一方面要确认电路的通断和短路。另一方面，它还应确定特性阻抗决不能超出规定范围。一句话，除非两个要求都满足，否则电路板永远无法满足要求。

PCB提供的电路性能必须保证在信号传输过程中不会发生反射；信号保持集成；通过实现阻抗匹配来降低传输损耗。因此，可以在没有干扰或噪声的情况下完整、可靠、准确地实现传输信号。本文重点研究微带结构多层板的特性阻抗控制。

表面微带线和特征阻抗

表面微带线具有高特性阻抗，已广泛应用于PCB制造。将信号平面设置为外层控制阻抗和绝缘材料，用于将信号平面与其相邻的基准平面隔开，如下图所示。

特性阻抗可以通过公式计算： 。

其中Z0为特性阻抗； εr 为绝缘材料的介电常数； h 为走线与基准面之间绝缘材料的厚度； w 为迹线的宽度； t 指迹线的厚度。下图清楚地说明了各个参数的含义。

根据上面给出的公式，可以得出影响特性阻抗的因素包括：
a．绝缘材料的介电常数（εr）；
b．绝缘材料厚度（h）；
c．迹线宽度（w）；
d．走线厚度（t）。

进一步可以得出，特性阻抗与基板材料（覆铜板材料）密切相关。因此，基板材料的选择需要考虑很多因素。

介电常数及其影响

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，不同厂家生产的材料也可能存在差异。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。

显然，介电常数随着频率的提高而下降。因此，绝缘材料的介电常数应根据材料的工作频率确定，其平均值应能满足一般要求。信号的传输速度会随着介电常数的增加而降低，因此如果需要较高的信号传输速度，则必须降低介电常数。此外，为了获得高传输速度，必须确保高特性阻抗，这取决于低介电常数的材料。

走线的宽度和厚度

走线宽度是影响特性阻抗的最重要因素之一，下图4展示了特性阻抗与走线宽度的关系。

根据图 4，可以得出结论，当走线宽度改变 0.025mm 时，阻抗将随之改变 5 到 6 欧姆。但是在实际的PCB制造中，如果选择宽度公差为18μm的铜箔作为信号层来控制阻抗，则允许的走线宽度公差为±0.015mm。如果选择宽度公差为 35μm 的铜箔，则允许的走线宽度公差为 ±0.003mm。总之，走线宽度的变化会导致阻抗的剧烈变化。走线宽度是设计人员根据多种设计要求设计的，既要满足电流容量和温升的要求，又要使阻抗达到预期值。因此，必须确保走线宽度与设计要求相适应，并在允许的公差范围内。

走线厚度还需要根据所需的电流容量和允许的温升来确定。在制造中，涂层厚度一般平均为25μm。走线厚度等于铜箔厚度加上涂层厚度之和。需要注意的是，电镀前必须将痕迹表面清理干净，以消除污染物。否则，走线厚度可能会出现不均匀，进而影响特性阻抗。

绝缘材料厚度

根据上面介绍的计算特性阻抗的公式，可以得出特性阻抗与绝缘材料厚度（h）的自然对数成正比的结论。此后，“h”变得越大，“Z0”将越大。因此，绝缘材料的厚度也是决定特性阻抗的关键因素。由于走线宽度和材料的介电常数在制造之前已经确定，走线厚度可以看作是一个固定值，因此通过控制层压厚度来控制特性阻抗是主要的方法。走线厚度与特性阻抗的关系可以总结为下图。

从这个图中可以看出，随着厚度增​​加0.025mm，特性阻抗将改变5到8ohm。然而，在PCB制造过程中，每块层压板厚度的变化可能会引起巨大的变化。事实上，在制造过程中选择不同类型的预浸料作为绝缘材料，厚度可以根据预浸料的数量来确定。以微带线为例。图3可以根据相应的工作频率确定绝缘材料的介电常数，然后可以计算出特性阻抗。之后，根据走线宽度和计算的特性阻抗值，可以用图4计算出绝缘材料的厚度，根据覆铜板和铜箔的厚度，可以推断出预浸料的种类和数量。

根据上面的图5，可以看出微带结构的特性阻抗比带状线结构的特性阻抗更高，绝缘材料的应用厚度相同。因此，微带结构是高频高速数字信号传输的首选。此外，随着绝缘材料厚度的增加，特性也会提高。因此，当涉及到具有严格特性阻抗的高频电路时，CCL绝缘材料厚度必须保持严格的公差，通常最多为10%。而对于多层板，绝缘材料的厚度也是一个制造参数，所以也要严格控制。

总之，即使在走线宽度、走线厚度、介电常数和绝缘材料厚度方面的微小变化也会导致特性阻抗发生变化。除了这些元素之外，它还与更多的元素密切相关。因此，制造商有必要充分了解引起特性阻抗变化的因素，调整制造参数，使特性阻抗保持在可接受的范围内。

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