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特 性 阻 抗 POWER/GROUND W SIGNAL T D A W SIGNAL T A A POWER/GROUND POWER/GROUND 第 1 1

背 景 传 统 PCB 人 们 关 注 的 只 是 金 属 导 线 的 通 断 短 路 绝 缘 等 情 况, 但 是 随 着 科 技 技 术 的 发 展 集 成 电 路 集 成 度 的 提 高 和 应 用, 电 路 的 工 作 速 度 越 来 越 快, 信 号 传 输 频 率 和 速 度 越 来 越 高,PCB, 导 线 已 不 仅 是 器 件 的 载 体 和 互 连 工 具, 它 应 该 必 须 起 着 传 输 高 性 能 信 号 的 角 色, 将 输 出 的 信 号 完 整 准 确 地 传 送 到 接 收 器 件 的 输 入 端 于 是 原 来 简 单 的 导 线, 逐 渐 转 变 成 高 频 类 ( 射 频 类,Radio, Frequency,R.F. R.F.) 与 高 速 类 ( 逻 辑 类,High, Speed Logic,L.F. L.F.) 用 途 复 杂 的 传 输 线 一 般 当 信 号 频 率 达 200~300 300MHZ 以 上 时, 对 PCB 线 路 的 要 求 就 会 变 得 更 加 严 格 第 2 2

传 输 线 定 义 传 输 线 :IPC: IPC-2141 3.4.4, 当 信 号 在 导 线 中 传 输 时, 若 该 导 线 长 度 达 到 信 号 波 长 的 1/7,, 则 该 导 线 即 应 视 作 传 输 线 高 频 率 的 信 号 经 过 导 线 传 输 后, 其 频 率 降 低 或 时 间 延 迟, 故 导 线 越 短 越 好 ; 但 当 导 线 长 度 接 近 于 元 件 发 送 的 信 号 速 度 ( 波 长 ) 某 一 范 围 时, 元 件 的 信 号 将 会 出 现 明 显 失 真 高 密 度 布 线, 介 质 越 薄, 串 扰 越 小 理 论 证 实 当 阻 抗 匹 配 时 信 号 线 的 信 号 传 输 值 最 大 第 3 3

磁 场 静 电 场 关 系 磁 场 静 电 场 注 意 : 当 电 流 流 动 时 其 磁 场 就 产 生 当 有 电 压 时 其 静 电 场 就 产 生 第 4 4

特 性 阻 抗 定 义 在 高 频 情 况 下, 印 制 板 上 传 输 信 号 的 铜 导 线 可 被 视 为 由 一 串 连 等 效 电 阻 电 感 及 一 并 联 电 容 所 组 合 而 成 的 传 导 线 路 而 此 等 效 电 阻 在 高 频 分 析 时 小 到 可 以 忽 略, 因 此 我 们 在 对 一 个 印 制 板 的 信 号 传 输 进 行 高 频 分 析 时, 则 只 需 考 虑 杂 散 分 布 的 串 连 电 感 及 并 连 电 容 的 效 应 特 性 阻 抗 :Zo: =R+ L L / C C L L / C 电 子 器 件 传 输 信 号 线 中, 其 高 频 信 号 或 电 磁 波 传 播 时 所 遇 到 的 阻 力 称 之 为 特 性 阻 抗, 它 是 电 阻 抗 电 容 抗 电 感 抗 的 一 个 矢 量 的 和 Zo= L/ C (Ω ohm) C: 电 容 (F) L: 电 感 (H) 第 5 5

特 性 阻 抗 原 则 1. 在 数 字 信 号 于 板 子 上 传 输 时, 印 制 板 线 路 的 特 性 阻 抗 值 必 须 与 头 尾 元 件 的 电 子 阻 抗 匹 配, 一 旦 Zo 超 出 公 差, 所 传 输 的 信 号 能 量 将 出 现 反 射 (Reflection( Reflection) 散 射 (Dissipation( Dissipation) 衰 减 (Attenuation) 或 延 误 (Delay( Delay) 等 现 象, 严 重 影 响 信 号 完 整 性 2. 由 于 元 件 的 电 子 阻 抗 越 高 时, 其 传 输 速 率 才 越 高, 因 而 电 路 板 的 特 性 阻 抗 值 也 要 随 之 提 高, 才 能 与 元 件 相 匹 配 3.Zo 值 越 高 越 好, 但 更 加 强 调 的 是 匹 配 4. 射 频 通 信 用 的 PCB, 除 强 调 Zo 外, 有 时 更 加 强 调 板 材 本 身 具 有 低 的 Er 及 低 的 Df( 介 质 损 耗 角 正 切 ) 第 6 6

特 性 阻 抗 相 关 名 词 介 电 常 数 (εr): 电 极 间 充 以 某 种 物 质 时 的 电 容 与 同 样 构 造 的 真 空 电 容 器 的 电 容 之 比 当 εr 大 时, 储 存 电 能 能 力 大, 电 路 中 的 电 信 号 出 纳 书 速 度 就 会 降 低 介 质 损 耗 tanδ: 电 介 质 材 料 在 交 变 电 场 的 作 用 下, 由 于 发 热 损 耗 的 能 量 εr 和 tanδ 是 成 正 比 的 第 7 7

特 性 阻 抗 用 途 典 型 的 需 要 控 制 特 性 阻 抗 的 印 制 线 路 板 类 型 如 下 : 1. 电 信 2. 高 速 的 计 算 机 板, 包 括 PC 和 PCI 总 线 板 3. 雷 达 4. 军 方 应 用 5. 视 频 信 号 处 理 6. 真 实 的 时 间 图 像 处 理 7. 许 多 家 电 也 需 要 控 制,MODEMS, MODEMS 无 绳 电 话 模 拟 电 视 DVD DVD CD 及 彩 色 打 印 机 等 第 8 8

信 号 传 输 的 三 要 素 信 号 线 + + 介 质 层 接 地 层 传 输 线 第 9 9

信 号 传 输 损 耗 示 意 IMPEDENANCE CHANGE A INCIDENT ENERGY B REFLECTED ENERGY TRANSMITTED ENERGY 当 A 组 件 经 由 板 面 线 路 向 B 发 出 讯 号, 若 该 讯 号 线 的 线 宽 不 均, 造 成 特 性 阻 抗 值 上 起 伏 变 化 时, 则 讯 号 的 部 分 能 量 会 反 弹 回 A 中 去 第 10 10

特 性 阻 抗 控 制 的 前 提 条 件 工 作 频 率 ( 影 响 Rise time) 传 输 线 长 度 ( 造 成 Propagation delay ) 故 工 作 频 率 越 高, 传 输 线 过 长 就 需 要 考 虑 控 制 特 性 阻 抗 第 11 11

特 性 阻 抗 控 制 的 类 别 目 前 大 部 分 资 料 将 特 性 阻 抗 分 为 单 端 (Singleended( Singleended) 阻 抗 和 差 分 (Differential) 阻 抗 两 种 单 端 阻 抗 (Singleended Impedance) ( 单 根 信 号 线 的 特 性 阻 抗 ) 差 分 阻 抗 (Differential Impedance) ( 等 宽 等 间 距 的 两 信 号 线 的 特 性 阻 抗 ) 差 分 传 输 线 具 有 两 种 独 特 的 传 播 方 式, 每 种 方 式 都 有 自 己 的 特 性 阻 抗, 分 别 称 为 奇 模 阻 抗 (Odd( mode) 和 偶 模 阻 抗 (Even( mode) 第 12 12

差 分 阻 抗 的 类 别 二 导 线 与 大 地 绝 缘 差 分 阻 抗 是 指 在 差 分 驱 动 时 在 两 条 传 输 线 中 测 试 到 的 阻 抗 线 路 1 与 线 路 2 同 时 施 加 差 分 互 补 的 信 号, 在 任 一 导 线 测 试 到 的 阻 抗 称 为 奇 模 阻 抗 (Odd Mode Impedance) Z Differential =2 Z odd 线 路 1 与 线 路 2 同 时 施 加 相 同 的 信 号, 在 任 一 导 线 测 试 到 的 阻 抗 称 为 偶 模 阻 抗 (Even Mode Impedance) 共 模 阻 抗 (Common( mode Impedance) 是 指 并 连 在 一 起 的 线 路 的 阻 抗, 是 偶 模 阻 抗 的 一 半 Z Common =1/2 Z Even 第 13 13

带 状 线 (Stripline) 特 性 阻 抗 的 类 型 基 本 分 为 微 带 线 (Microstrip( Microstrip) 和 带 状 线 (Stripline( Stripline) 带 状 线 (Stripline( Stripline) 的 信 号 线 被 介 质 层 所 包 围, 上 下 夹 封 于 参 考 层 之 间 特 征 : 1. 1. 电 场 只 在 PCB 板 内, 较 易 控 制 阻 抗 ; 2. 2. 传 输 速 度 较 慢 ( 约 185ps/inch); 3. 3. 介 电 常 数 较 高 ; 4. 4. 在 PCB 里 面, 不 容 易 受 到 干 扰 ; 带 状 线 (Stripline( Stripline) 结 构 5. 5. 较 低 密 度 的 布 线 第 14 14

微 带 线 (Microstrip) 微 带 线 (Microstrip( Microstrip) 的 信 号 线 附 在 介 质 层 上, 一 侧 暴 露 在 空 气 中, 另 一 侧 相 对 于 介 质 层 下 方 的 参 考 层 微 带 线 (Microstrip( Microstrip) 结 构 特 征 : 1. 1. 电 场 穿 透 两 种 不 同 的 介 质, 较 难 控 制 阻 抗 ; 2. 2. 传 输 速 度 较 快 ( 约 145ps/inch); 3. 3. 空 气 的 介 电 常 数 较 PCB 低, 所 以 整 体 的 介 电 常 数 较 低 ; 4. 4. 在 PCB 表 面, 较 容 易 受 到 干 扰 ; 5. 5. 可 以 高 密 度 布 线 第 15 15

常 用 特 性 阻 抗 模 块 涂 覆 单 端 阻 抗 对 称 嵌 入 单 端 嵌 入 单 端 阻 抗 偏 移 单 端 阻 抗 嵌 入 差 分 阻 抗 涂 覆 差 分 阻 抗 第 16 16

常 用 特 性 阻 抗 模 块 对 称 嵌 入 差 分 异 面 差 分 阻 抗 偏 移 差 分 阻 抗 涂 覆 表 面 共 面 嵌 入 共 面 阻 抗 偏 移 共 面 阻 抗 第 17 17

影 响 特 性 阻 抗 的 因 素 * A. 介 电 常 數 (Dk εr): 由 板 材 决 定 * B. 导 线 厚 度 (T): 由 板 材 及 生 产 过 程 决 定 * C. 导 线 宽 度 (W): 由 生 产 能 力 决 定 * D. 介 质 厚 度 (H): 由 生 产 决 定 * E. 线 间 距 (S): 由 板 材 及 生 产 过 程 决 定 * F. 阻 焊 厚 度 (H1): 由 板 材 及 生 产 过 程 决 定 * 影 响 最 大 的 是 介 质 厚 度 H, 其 次 是 介 电 常 数 εr 和 线 宽 W, 最 后 是 铜 厚, 影 响 最 小 的 是 阻 焊 厚 度 第 18 18

* A. 介 电 常 數 (Dk εr): 介 电 常 数 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 平 方 根 成 反 比 介 电 常 数 & 特 性 阻 抗 ----------------------------------------------------------------- * B. 导 线 厚 度 (T): 导 线 厚 度 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 成 反 比 导 线 厚 度 & 特 性 阻 抗 ----------------------------------------------------------------- * C. 导 线 宽 度 (W): 导 线 宽 度 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 成 反 比 导 线 宽 度 & 特 性 阻 抗 ----------------------------------------------------------------- * D. 介 质 厚 度 (H): 介 质 厚 度 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 成 正 比 介 质 宽 度 & 特 性 阻 抗 ----------------------------------------------------------------- * E. 线 间 距 (S): 导 线 间 距 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 成 正 比 导 线 间 距 & 特 性 阻 抗 ----------------------------------------------------------------- * F. 阻 焊 厚 度 (H1): 阻 焊 厚 度 & 特 性 阻 抗 阻 抗 与 其 成 反 比 影 响 特 性 阻 抗 的 因 素 阻 焊 厚 度 & 特 性 阻 抗 第 19 19

特 性 阻 抗 测 试 时 域 反 射 器 (TDR( TDR:Time Time Domain Reflectometry): 测 试 印 制 电 路 板 特 性 阻 抗 最 常 用 的 仪 器, 它 允 许 阻 抗 随 线 路 测 试 的 整 个 长 度 而 改 板, 以 快 速 上 升 时 间 的 脉 冲 来 模 拟 快 速 逻 辑 功 能 上 的 测 试 反 射 的 电 压 可 以 表 示 出 阻 抗 的 变 化, 由 此 可 以 计 算 出 线 路 上 的 特 性 阻 抗 目 前 国 内 PCB 行 业 使 用 较 多 的 是 POLAR 公 司 的 特 性 阻 抗 测 试 仪 以 及 IPC-TM TM-650 2.5.5.7 部 分 中 规 定 的 特 性 阻 抗 测 试 方 法 都 是 以 TDR 为 基 础 的 第 20 20

特 性 阻 抗 测 试 原 理 特 性 阻 抗 测 试 原 理 : 阻 抗 测 试 就 是 在 示 波 器 发 出 一 种 近 似 方 波 的 脉 冲 后, 同 时 接 收 其 反 射 波, 然 后 将 此 两 种 脉 冲 波 对 比 分 析, 从 反 射 能 量 的 大 小 得 出 阻 抗 值, 同 时 在 荧 光 屏 上 显 示 出 来 (TDR 输 出 信 号 传 送 到 电 路 板, 传 送 到 信 号 的 线 路, 接 受 后, 通 过 反 射 波 上 升 或 下 降 再 与 仪 器 本 身 所 放 出 的 信 号 作 对 比, 换 算 而 得 电 路 板 的 阻 抗 值 ) 主 要 组 成 : 脉 冲 ( 阶 跃 ) 发 生 器 + 高 带 宽 示 波 器 第 21 21

阻 抗 测 试 原 理 示 意 图 典 型 的 TDR 由 一 高 速 的 阶 跃 脉 冲 发 生 器 与 高 速 取 样 头 组 成 阶 跃 脉 冲 的 上 述 时 间 决 定 了 分 辨 阻 抗 不 连 续 的 能 力 高 速 采 样 头 决 定 测 试 时 间, 即 阻 抗 变 化 位 置 的 准 确 度 第 22 22

阻 抗 测 试 原 理 图 v ZO1 ZO2 测 试 Cable PCB 线 路 TDR 发 出 脉 冲 波 反 射 脉 冲 波 第 23 23

POLAR 公 司 的 特 性 阻 抗 测 试 仪 第 24 24

POLAR 公 司 的 特 性 阻 抗 测 试 仪 POLAR 公 司 的 CITS 阻 抗 测 试 仪 组 成 :TDR: TDR 微 型 计 算 机 测 试 电 缆 测 试 头 工 作 原 理 : 主 要 是 通 过 TDR 测 试 出 反 射 回 来 电 压 的 变 化, 然 后 通 过 微 机 计 算 出 特 性 阻 抗 计 算 公 式 :Zo: Zo=Zref V1/ V1/(2Vref-V1) Zref: 基 准 特 性 阻 抗 值 Vref: 基 准 信 号 电 压 V1: 待 测 导 线 ( 附 连 板 或 样 品 板 ) 的 电 压 第 25 25

脉 冲 信 号 1. 硬 件 中 瞬 间 变 化 的 电 压, 形 成 0 1 所 组 合 而 成 的 电 子 讯 号, 两 者 间 的 快 速 切 换 就 形 成 近 似 方 波 的 脉 冲 2. 方 波 由 低 到 高 所 耗 用 的 时 间 ( 水 平 轴 之 时 域 ) 称 为 上 升 时 间 (risetime Tr) Tr 愈 短 时, 时 钟 频 率 (Clock rate) 愈 快. Tr 为 最 大 振 幅 的 从 10% 上 升 到 90% 的 时 间, 单 位 ns=10-9 s Tr=0.35/f Rc=Wc Wc*C Rl=Wl Wl*L (Wc( Wc=2π*f) 第 26 26

上 升 时 间 脉 冲 信 号 振 幅 (%) 或 电 压 100 90 50 前 缘 脉 宽 后 缘 10 0 tr tf t 第 27 27

差 分 信 号 线 中 的 干 扰 v v v v 第 28 28

特 性 阻 抗 测 试 条 信 号 孔 ( 内 层 内 层 Gnd/Vcc 作 隔 离 ) 6.0"~12.0" 6.0"(TYP.) WWEI P/N : XXXXXXXXX2 0.100" >W( 线 宽 ) IMPEDANCE : XX ± X Ω 信 号 线 线 宽 (W) ( 内 层 Gnd 0.100" 接 地 孔 Gnd/Vcc 作 Thermal Pad) 保 护 线 (Guard Trace) 注 意 : 1. 两 GND 及 POWER 之 间 所 加 之 信 号 线 边 之 保 护 线, 不 可 遮 蔽 到 GND 及 POWER 之 间 任 一 层 SIGNAL TRACE 2. 相 邻 信 号 层 之 最 近 GND 或 POWER 层 为 阻 抗 测 量 之 接 地 参 考 层 第 29 29

特 性 阻 抗 测 试 条 (4( 层 板 ) SIGNA L GROUND L2 L1 L4 L3 L2 L3 L1 L4 COMP. SIDE L2 (GROUND) L3 (POWER) SIGNA L GROUND L2 L3 L1 L4 L2 L3 L1 L4 SOLD. SIDE 第 30 30

特 性 阻 抗 测 试 条 (8( 层 板 ) GROUND SIGNAL L2 L2 L1 L3 L2 L4 L7 L5 L7 L6 L8 L1 L3 L4 L5 L6 L8 L7 L2 L2 L2 L7 L7 L7 COMP. SIDE L2 (GROUND) L3 (SIGNAL) L4 (SIGNAL) L5 (SIGNAL) L6 (SIGNAL) L7 (GROUND) SIGNAL GROUND L2 L2 L1 L3 L4 L5 L6 L8 L1 L3 L4 L5 L6 L8 L2 L7 L7 L7 L2 L2 L2 L7 L7 L7 SOLD. SIDE 第 31 31

特 性 阻 抗 测 试 条 空 间 不 足 情 况 下 的 阻 抗 设 计 第 32 32

特 性 阻 抗 设 计 注 意 事 项 对 一 般 阻 抗 板 : 1. 考 虑 PP 片 成 本 和 制 作 的 简 单 化 ; 2. 阻 抗 计 算 模 块 的 选 择 ; 3. 线 宽 是 否 符 合 客 户 资 料 ; 4. 阻 抗 线 宽 改 动 需 仔 细 确 认 ; 5.VCC VCC GND POW 层 正 确 定 义 ; 6. 信 号 线 相 联 的 测 试 孔 不 可 与 任 何 层 导 通, 不 可 与 任 何 其 它 线 路 相 连 第 33 33

特 性 阻 抗 出 错 分 析 1. 标 准 件 检 验 测 试 探 头 ; 2. 检 查 档 案 设 置 是 否 有 误 ( 范 围, 波 形 ); 3. 查 CAM 资 料, 测 量 原 始 线 宽 资 料, 检 查 VCC,GND 或 POW 是 设 置 有 误 ; 4. 工 程 文 件 补 偿 是 否 有 误 ; 5. 切 片 分 析 检 验 自 己 的 预 想 第 34 34

1. 底 片 制 作 管 理 与 检 查 2. 内 层 板 蚀 刻 3. 内 层 AOI 检 查 4. 层 压 5. 外 层 蚀 刻 6. 阻 焊 特 性 阻 抗 生 产 控 制 14 层 特 性 阻 抗 板 基 材 :FR: FR-4 板 厚 :1.6: 1.6mm 最 小 孔 径 :0.20: 0.20mm 尺 寸 :249.94: 249.94 187.71mm 最 小 线 宽 / 间 距 :5mil/5mil: 焊 盘 表 面 处 理 : 热 风 整 平 阻 抗 : 外 层 线 宽 7mil, 单 端 阻 抗 50 50 欧 姆 ; 第 三 四 七 八 层, 线 宽 5mil, 间 距 8mil, 差 分 阻 抗 100 欧 姆 第 35 35

特 性 阻 抗 生 产 控 制 1. 半 固 化 片 : 介 质 常 数 ( 树 脂 含 量 ) 2. 内 芯 板 : 板 厚 铜 厚 3. 内 层 阻 抗 线 : a. 底 片 的 阻 抗 线 宽 b. 曝 光 能 量 和 吸 真 空 度 c. 显 影 条 件 ( 速 度, 浓 度, 温 度 ) d. 褪 膜 ( 速 度, 浓 度, 温 度 ) e.200 倍 测 量 线 宽 f. 环 境 控 制 4. 层 压 : a. 压 合 升 温 速 率 b. 压 力 c. 环 境 温 度 湿 度 d. 压 合 后 厚 度 的 测 量 e. 压 合 温 度 均 匀 5. 电 镀 : 铜 厚 a. 电 流 时 间 b. 药 水 浓 度 温 度 c. 镀 铜 均 匀 性 6. 外 层 阻 抗 线 : a. 曝 光 能 量 和 底 片 的 阻 抗 线 宽 b. 吸 真 空 度 c. 显 影 条 件 ( 速 度 浓 度 温 度 ) d. 褪 膜 ( 速 度 浓 度 温 度 ) e.200 倍 测 量 线 宽 f. 环 境 控 制 7 外 层 蚀 刻 : 线 宽 a. 蚀 刻 条 件 ( 速 度 浓 度 温 度 ) b.200 倍 量 测 线 宽 第 36 36

Polar Si8000 Control Impedance Quiuck Solver 第 37 37

特 性 阻 抗 计 算 理 论 数 据 第 38 38

特 性 阻 抗 计 算 理 论 数 据 第 39 39

特 性 阻 抗 计 算 理 论 数 据 a. 半 固 化 片 组 合 的 介 电 常 数 为 各 半 固 化 片 的 算 术 平 均 值 b. 半 固 化 片 厚 度 为 计 算 层 压 后 板 厚 时 所 用, 计 算 特 性 阻 抗 用 的 介 质 厚 度 详 见 计 算 特 性 阻 抗 时 的 介 质 厚 度 的 理 论 值 c. 叠 层 厚 度 计 算 公 式 为 : 叠 层 厚 度 = 内 芯 板 厚 度 ( 小 数 点 后 两 位 不 含 铜 箔 厚, 小 数 点 后 一 位 包 含 铜 箔 厚 )+) 半 固 化 片 厚 度 + 大 铜 面 厚 度 ( 包 括 plane vcc vcc gnd mixture)+ 外 层 铜 箔 D.W1 指 客 户 设 计 线 宽 第 40 40

特 性 阻 抗 计 算 理 论 数 据 板 材 介 电 常 数 及 损 耗 角 正 切 相 关 数 据 ( 测 试 条 件 为 C-40/23/50) 第 41 41