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1、Meadville Confidential特性阻抗控制介绍培训Characteristic Impedance ControlServe through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential2内内 容容一、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Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential3什么是特性阻抗什么是特性阻抗磁场原理磁场原理Serve through Peopl
2、eConnect through TechnologyMeadville Confidential4特性阻抗：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Characteristic Impedance。阻抗控制：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。什么是特性阻抗什么是特性阻抗特性阻抗特性阻抗Serve through PeopleConne
3、ct through TechnologyMeadville Confidential5 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。当信号在当信号在PCB导线中传输导线中传输时，若导线的长度不小于信号波长的时，若导线的长度不小于信号波长的1/7时，此时的导时，此时的导线便成为信号传输线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
4、内，难度相当高。 什么是特性阻抗什么是特性阻抗信号传输线定义信号传输线定义Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential6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.什么是特性阻抗什么是特性阻抗布线布线Vs生产生产Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Con
5、fidential7阻抗类型：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。 阻抗分类阻抗分类Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential8阻抗模型阻抗模型-IServe through PeopleConnect through TechnologyMeadville Co
6、nfidential9阻抗模型阻抗模型IIServe through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential10 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：其计算公式： 影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidentia
7、l11 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：其计算公式： 影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential12 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：介质厚度介质厚度阻阻抗抗导线
8、厚度导线厚度阻阻抗抗导线宽度导线宽度阻阻抗抗油墨厚度油墨厚度阻阻抗抗介电常数介电常数阻阻抗抗影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素总论总论介电常数、 介质厚度、 导线宽度、 导线厚度等。Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential13 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。介电常数介电常数油墨厚度油墨厚度介质厚度介质厚度导线宽度导线宽度导线厚度导线厚度贡献率大小贡献率大小贡献率大
9、小贡献率大小影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential14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. 110000 MHz 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影响特性阻抗主要因素介电常数:-参考参考参考参考Serve through PeopleConnect through Techno
10、logyMeadville Confidential15 例二：不同P片介电常数随树脂含量和工作频率变化列表：:-参考参考参考参考B片种类 不同工作频率的介电常数 1MHz 1GHz 7628 4.52 4.16 7628H(50%) 4.42 4.04 7628(41%) 4.60 4.23 2116 4.38 4.00 2116H(56%) 4.30 3.90 1080 4.15 3.70 1500 4.50 4.14 106 4.02 3.54 影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadvi
11、lle Confidential16 不同结构介电常数计算原理不同结构介电常数计算原理 混合材料混合材料:-:-参考参考参考参考 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： r=(1V1+2V2+.+nVn)/(V1+.+Vn) （其中1、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影响特性阻抗主要因素-介电常数介电常数Serve through PeopleConnect through Technology
12、Meadville Confidential17 混压材料混压材料:-参考参考参考参考 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： r =(1T2+2T1)/(T1+T2)表面微带线及差分线： r =(T1+T2) 12/(2T1+1T2)（其中1、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影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential18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
13、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：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影响特性阻抗主要因素阻焊油墨:-参考参考参考参考Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential19 从公式可以看出：特性阻抗Z0与介质厚度
14、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影响特性阻抗主要因素介质厚度:-参考参考参考参考Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential20 特性阻抗值随介质厚度的增加而增大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
15、，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！参考！参考！参考！影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential21 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影响特性阻抗主要因素线厚线厚(铜厚铜厚)导线厚度Serve through PeopleConnect throug
16、h TechnologyMeadville Confidential22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影响特性阻抗主要因素线厚线厚(铜厚铜厚)Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential23 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5-6。 在实际生产中如果控制阻抗的信号线面使用18 um 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3 um 铜箔，可允许的导线宽度变化公差为0.003mm。影响
17、特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素线宽线宽以表面微带线为例，阻抗值与导线宽度的关系如右图： 导线宽度导线宽度Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential24 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：w=0.15、H=0.2、 r=4.6 T=0.05、H=0.2、r=4.6 影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素线宽线宽Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential2
18、5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制造的关键技术之一一。影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素线宽线宽Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential26阻抗线与板件纬向关系阻抗线与板件纬向关系 阻抗线与板件纬向夹角大小对外层阻抗影
19、响较大，阻抗值随夹角增大先减小后增大，其拐点(极小值)约在10； 阻抗线与板件纬向夹角大小对内层阻抗几乎无影响。影响特性阻抗主要因素影响特性阻抗主要因素其它其它Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential27阻抗计算的阻抗计算的2种模式：种模式： POLAR 计算软件CITS25 以及 Si6000，Si8000CITS25Si6000特性阻抗计算软件特性阻抗计算软件Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential2
20、8内层酸蚀内层酸蚀 线宽的控制：据批量管制卡要求，每批板件进行首板试蚀，对首板有阻抗要求的线按设计的公差进行测量，合格再批量生产。 尽量保持匀速的蚀刻速率，降低各参数的波动范围，提高蚀刻均匀性和蚀刻因子。 评价蚀刻速率的好坏可以用蚀刻因子来进行评价： F=W/d F:蚀刻因子； d：单边侧蚀量。W：铜箔厚度 蚀刻因子越大，说明蚀刻液的侧蚀越小，有利于控制精细导线的完整性、均匀性。WdServe through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential29 控制层压厚度公差，以免影响板厚均匀性和介质层厚度； 控制层压流胶，以保证
21、coupon阻抗边条的代表性合理。 必要时，层压后需做切片验证介质层结构、厚度及公差。 室内温湿度控制。 B片切割间：R.H.50%，Temp：232 冷库： R.H.50%，Temp：232 叠板间： R.H.65%，Temp：232关键控制点之层压Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential30 使用测试COUPON有如下好处： 阻抗测试COUPON介绍 它是易于测试控制阻抗的测试方法； 它并不与实际线路有关联，但能找出不正确的成品； 可采用较短的讯号传输线(一般短于150mm，通常采用86.36m
22、m)做出精确的测试结果。在设计coupon时需注意： 其蚀刻后之线宽是否与成形区内的线宽一致； 其摆放位置是否易因板边流胶而造成介电厚度不足； 拼板线路密度是否影响图电均匀性； 否则，否则， coupon失去代表性。失去代表性。阻抗条设计及阻抗测试仪阻抗条设计及阻抗测试仪Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential31阻抗测试COUPON图形：阻抗条设计及阻抗测试仪阻抗条设计及阻抗测试仪Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Con
23、fidential32 时域反射仪(TDR)是阻抗控制的最佳测试仪器，它容许阻抗随线路测试的调整长度而改变，以快速上升时间的脉冲仿真快速逻辑功能上的测试，任何反射的电压表示出阻抗的改变。 目前市面上的仪表有： Tektronix 11801C、 Polar CITS-500S、 HP-54750A阻抗条设计及阻抗测试仪阻抗条设计及阻抗测试仪阻抗测试仪介绍Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential33Polar CITS-500S阻抗测试仪Serve through PeopleConnect thro
24、ugh TechnologyMeadville Confidential34TDR 原理原理在示波器发出脉冲波后，同时接收其反射波，然后将此两种脉冲对比分析，从反射能量的大小得出阻抗值；TDR输出信号到测试条，通过反射信号同自身发出信号进行“比对”进行模拟到数字的转换得到阻抗条的测试数据Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential35 避免工作人员的手指及外部物质与测试样板接触； 板件需平置于防静电胶垫上，测试者需戴手套及防静电环； 测试时，探针需垂直对准测试图形，并向下轻按； 外层的阻抗线要在所在的层
25、面上测试； 维持室内温度和湿度的恒定。阻抗测试注意事项阻抗条设计及阻抗测试仪阻抗条设计及阻抗测试仪Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential36若批量抽查有阻抗超差时按如下步骤处理、改进： 物理室对此批板件进行全检； 立即反馈相关ME及QE对异常板进行处理； 分析阻抗设计表格是否正确； 检查阻抗测试图形菲林是否正确； 检查参考层是否按要求制作； 对比分析实际测量值、据切片结果的计算值和理论设计值； 根据分析结果，主要从叠层、线宽等方面进行改进。阻抗超差分析与改进Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential37 使用低介电常数，低纤维含量，成分均匀的物料； 降低介电层厚度； 降低铜箔厚度； 控制导线均匀性； 使用好的阻抗计算软体及性能优秀的阻抗测试仪器。阻抗控制改善途径有：Serve through PeopleConnect through TechnologyMeadville Confidential38Thank You!Meadville GroupServe through PeopleConnect through Technology
