（广州杰赛科技股份有限公司 510730）齐国栋
摘要本文结合特性阻抗板生产工艺要求，主要讲述了在设计特性阻抗板时需要注意的参数，并对Polar Si8000多电介质控制阻抗设计系统进行了简单介绍。 关键词特性阻抗印制板生产工艺 Polar Si8000
Production Feasibility Design of Characteristic Impedance in PCB
（GCI Science & Technology Co., LTD 510730）Qi Guodong
Abstract According to the manufacture technology requirements of controlling characteristic impedance, the paper mainly talks about the parameters which need to be noticed in the characteristic impedance's design and simply introduces the Polar Si8000 Multiple dielectric controlled impedance design system.
Key words characteristic impedance PCB production technics Polar Si8000
1 引言
“通”、“断”、“短路”、“绝缘”等情况，但是随着
科学技术的发展、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，它应该起着传输高性能信号的角，将输出的直线度测量
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.）与高速类（逻辑类，High Speed
防爆鼠标Logic，L.F.）等用途的复杂传输线。下表为两类信
骨灰戒指号传输线的一些特性比较[1]：
高速数字(逻辑)信号传输线高频(R.F.或微波)信号传输线
布局与走线复杂 布局与走线简单
允许特性阻抗(Z0)公差值较大允许特性阻抗(Z0)公差值很小
非常要求轻、薄、短、小化 要求轻、薄、短、小化
铭板导线尺寸公差要求较宽 导线尺寸公差要求较严格 板材损耗因子(tanδ)公差较大板材损耗因子(tanδ)公差很小介电常数(rε)要求很低 介电常数(rε)要求很低 要求有信号层，电-地层结构的多层板一般为单、双面板 随着信号传输频率的提高或数字电路的脉冲频率加快和前沿时间的缩短，当PCB的导线长度接近元件发送的信号速度（或波长）的某一范围时，就应该看作是信号传输线了。IPC-2141的3.4.4节中指出，“当信号在PCB导线中传输时，若导线的长度接近信号波长的
1/7，此时的导线便成为信号传输线”了[2]。但有的文献认为，基板中金属导线的长度接近信号传输的
波长的1/10时，应该按信号传输线进行处理[3]。理论证实，当信号在PCB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，一旦特性阻抗值超出公差，所传输的信号能量将出现反射、散射、衰减或延误等现象，严重影响信号完整性。
2 印制板的特性阻抗
2.1 特性阻抗概念
特性阻抗是指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。目前大部分资料将特性阻抗分为单端（Single ended）阻抗和差分（Differential）阻抗两种。单端阻抗是指单根信号线测得的阻抗。差分阻抗是指当差分驱动时在两条等宽等间距的传输线中测试到的阻抗。其中差分传输线具有两种独特的传播方式，每种方式都具有自己的特性阻抗，分别称为奇模阻抗（Odd mode）和偶模阻抗（Even mode）。
图1
在图1中，线路1与线路2同时施加差分互补的信号，在线路1测试到的阻抗称为奇模阻抗。差分阻抗是奇模阻抗的两倍。
Z Differential＝2×Z odd
线路1与线路2同时施加相同的信号，在线路1测试到的阻抗称为偶模阻抗。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 [4]
2.2 特性阻抗结构
2.2.1 目前特性阻抗模块较多，例如英国Polar 公司的Si8000软件就提供了89种模块[5]，其中在实际生产过程中使用最多的是以下四种模块：
图2：表面涂覆单端结构·微带线
图3：嵌入偏移单端结构·带状线
图4：表面涂覆差分结构·微带线
图5：嵌入偏移差分结构·带状线
除了上述4种模块外，还有一些在生产中会经常使用到的模块，如微带线、带状线的共面结构模块等。至于具体使用哪种阻抗模块，这是PCB 设计师在设计之初就应该考虑的。 2.2.2 影响因素：
众多特性阻抗模块最终又可分为微带线、带状线两种模式，其中微带线的表面涂覆单端结构的
计算公式为：
；
带状线的嵌入偏移单端结构的计算公式为：
。
其中r ε′＝r ε×EXP(-1.55H 1/H)，Z o ：特性阻抗，r ε：介电常数，W：导线宽度，T：导线厚度，H：介质层厚度。 从以上计算公式中可以看出，与阻抗相关的参数包括介电常数、导线厚度、导线宽度、介质厚度、阻焊厚度等，对于差分结构的阻抗线还需要考虑导线间距，而这几个参数对阻抗的影响又各不相同，PCB 设计师在设计时一定需要注意。
（1）介电常数：介电常数是指当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。阻抗与其平方根成反比。当介电常数大时，储存电能能力大，电路中的电信号出纳速度就会降低。
高效脱硫剂
介电常数是由板材本身的特性决定的，故PCB 设计师在自行核算阻抗或将设计文件交给PCB 制造商进行生产时，一定要事先了解或指定板材型号、介电常数。在指定板材型号的同时，也需要了解板材的一些特性，特别是板材在不同频率下测量的介电常数是不同的，故PCB 设计师需向制造商说明加工PCB 板的工作频率。 （2）导线厚度：这个参数主要是由板材的基铜厚度及生产过程中的电镀、蚀刻等相关工序决定的。 阻抗与其成反比。
对于导线厚度这个主要参数需要由PCB 制造商提供，导线厚度一般是制造商提供的一个平均厚度值，它一般会考虑生产中的公差等相关问题。此外，需要提醒PCB 设计师一点，甲厂提供的参数只能用于甲厂，乙厂提供的参数只能用于乙厂，因为厂家不同故生产参数等不尽相同从而导致镀铜厚度是不同的。对于此点，我个人深有体会，不要为了节省一点加工费而导致成品板报废。
（3）导线宽度：阻抗与其成反比。导线宽度主要由板材基铜厚度及PCB 制造商生产过程中的
电镀、蚀刻等相关工序决定。一个特性阻抗板的生产成功与否，导线宽度起着决定性的作用。它需要PCB制造商从做工程文件时就考虑一个合适的补偿量，当然这个补偿量是经过制造商试验得出的。同时经过电镀后在蚀刻时也需要考虑蚀刻速度等相关参数，并且需要做首板测试，及对其进行AOI 或切片测试。PCB设计师在设定阻抗线宽度时，一定要事先了解PCB制造商的加工能力，这也是考察PCB
制造商是否是一个合格特性阻抗板生产厂家的标准。
微安表此外，由于生产中的侧蚀原因，会导致成品板导线的上下两端不等，故需要向PCB制造商确认导线上下两端的差值，从而通过软件模拟出更接近现实的阻抗值。
（4）介质厚度：阻抗与其成正比。介质厚度主要由生产中的叠层在经过层压后，测量实际的介质而得出的。故PCB设计师在考虑介质厚度时，需要事先了解PCB制造商的常用内芯板及半固化（PP）片的厚度及层压后的厚度（同时还需要了解板材成本及制作的简单化），这个厚度除跟内芯板、半固化（PP）片相关外，还跟上下线路的图形分布相关，同一张半固化（PP）片在两张大铜面间压合跟在两张线路之间压合后的厚度是不等的。在核算特性阻抗时，还需要考虑这个厚度是否含铜箔的厚度。一般两位小数的内芯板厚度是不含铜箔的，即两位小数的内芯板厚度为介质厚度+两层铜箔厚度。
（6）导线间距：导线间距同导线宽度、厚度是息息相关的，它的主要影响因素同前面导线宽度、厚度的分析。由板材及生产过程决定，PCB设计师同样需向制造商了解。
（7）阻焊厚度：阻抗与其成反比。对于特性阻抗板，有的是不需要印阻焊的，如天线微带板等，但是有些板是需要印阻焊的。印制板在丝印前后的阻抗值是不同的，故这也是一个需要考虑的参数，也需要向PCB制造商了解，且印在线路上的阻焊与印在基材上的阻焊的厚度是不同的。
上述7个主要的参数，影响最大的是介质厚度，其次是介电常数和线宽，最后是铜厚，影响最小的是阻焊厚度。
对于以上生产参数，如果PCB设计师不去向制造商了解，而是要求制造商根据设计的理论数据去改进他们的生产参数，是相对不太可能的，因为PCB制造商针对的不只是您这一家的设计，他一般还有其他的客户。故需要设计师在设计特性阻抗板之前就应该与PCB制造商进行沟通，将影响阻抗值的参数全部了解、掌握，然后根据这些参数进行设计并利用模拟软件进行阻抗值计算。现在生产特性阻抗板的大多数PCB制造商都有自己的特性阻抗模板，设计师可向其索取。此外还需要注意，特性阻抗板的加工跟普通线路板的加工是不同的，PCB 制造商从接收到文件时就需要核算设计师的特性阻抗设计，工程文件需做测试条，生产中各个工序需要相互配合、检验，并且还需要经过专用的特性阻抗测试仪－时域反射器（TDR）测试，方能生产出合格的特性阻抗板，故价格会比一般的PCB较高。如果PCB设计师根据制造商的生产参数设计出阻抗板，但为了省钱而不通知制造商是阻抗板，这样加工出板的特性阻抗往往是超出公差要求的。对于此点，我是深有感触的，如果设计师在加工要求上不注明特性阻抗板，那么制造商是按常规的PCB 板进行生产和检验的，且是不经过阻抗测试这一工序的，故加工出的阻抗板往往不合格。
3．Polar Si8000[5.6]
目前计算特性阻抗的软件众多，但英国Polar 公司的Si8000软件，以其友好的界面、阻抗模块形象化、计算快速准确、操作简单、语言本地化等优点在PCB制造商中占有较大的市场。
Si8000是全新的边界元素法场效解算器，建立在我们熟悉的早期Polar阻抗设计系统易于使用的用户界面之上，是对CITS500s和RITS520a手动和自动控制阻抗测试系统的完整补充。自1991年以来，CITS测量系统已被世界各地主要的PCB制造商所采用，Polar被公认为是世界上线式阻抗测试仪器的佼佼者。目前Si8000提供了多达89种阻抗模块，增加了增强型建模功能，以便计算多介质的PCB最终阻抗（图6，两屏蔽平面之间有4层介质，可对应4种不同的介电常数），同时还考虑到了邻近差分结构（图7）之间的介电常数差异，从而使其计算结果更合理、准确。
图6
图7
PCB 设计师在建立阻抗模型时容易忽略了表面涂层，Si8000可模拟表面线路、基材上的阻焊厚度，从而计算出更合理的阻抗值。因为阻焊可影响到最终特性阻抗值的1～3欧姆，这对于误差要求越来越小的特性阻抗板是必须考虑的。此外，新的Si8000软件还可计算差分阻抗中的奇模阻抗、偶模阻抗和共模阻抗（图8），在USB2.0和LVDS 等高速系统中，越来越需要控制这些特性阻抗。
图8
Si8000还采用多单位输入方式，让你不用经过换算就可以直接输入数据，目前提供4种单位的输入：密耳、英寸、微米、毫米。因为特性阻抗一般是允许有±10%公差的，且在生产中各参数都会有一定误差，Si8000在计算阻抗时可同时计算出极限值（图9），这为生产极大地提供了方便。此外，Si8000还可以根据阻抗值进行反推相关参数，这对PCB 设计师、制造商都是非常有用的，可节省较多时间。
图9
Si8000控制阻抗设计系统是一个综合控制阻
抗设计辅助工具，它既可以作为独立的快速解算器运行，也可以通过Microsoft Excel 用户界面直接利用基本引擎运行。
独立运行快速解算计算器：在软件界面中选择合适的模块，然后输入相关的参数，点击计算，即可计算出最终阻抗值或反推出相关参数，并可以将其直接粘贴到Si8000的Microsoft Excel 表格中。
通过Microsoft Excel 用户界面直接利用基本引擎运行：你可以采用预先准备好的Microsoft Excel 工作表中的相关参数进行阻抗值的计算，并可绘制任何所选参数的图表，从而为你的阻抗设计提供参考。
4．结束语
随着电子通讯（信）设备和超级计算机等的信号传输高频化和高速数字化（逻辑电路）的急速发展，对特性阻抗控制要求越来越严格，这一现象已经被PCB 设计师、制造商重视，都从各自的角度进行了控制。正所谓“良好的开始是成功的一半”，PCB 设计师在设计之初就应该与PCB 制造商进行沟通，明确产品性能，了解工艺参数，选择合适的计算软件；PCB 制造商也应该积极配合PCB 设计师，提供相关工艺参数，核算PCB 设计师的特性阻抗，使生产中可以预见的问题都事先从理论上得到解决。通
过PCB 设计师与制造商的不断沟通，使其生产难度降低，加工周期缩短，从而使特性阻抗线路板的设计及生产更上一个台阶。
参考文献：
[1] 林金堵.《印制电路信息》.№9.2000.P32 [2] 白蓉生.《98年电路板采购及新制程手册》.P50 [3] 罗仕林.《电路板资讯》.№45.P55
[4] 秦庚、邬宁彪、李小明.《印制电路信息》. №11.2004.P55
[5] 英国Polar 公司Si8000特性阻抗计算软件 [6]
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