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特性阻抗的影响因素研究
【摘要】本文主要针对特性阻抗的主要影响因素进行分析,并对各个主要影响因素逐级进行模拟实验,通过模拟实验总结出各因素对特性阻抗的影响程度,为后期特性阻抗的工程设计和生产提供参考。
【关键词】影响因素;线宽;铜厚;介质层
引言
早期电子产品的工作速度还不是很快时,电路板只是一种方便零件组装与导通的载板或基地而已,因此电路板上的布线完全是以导电为主。随着电子信息技术的发展,如今的电路板上的布线不再只是导电作用,还有作为方波讯号的信号传输线的作用,即针对高频信号和高速数字信号的传输的电气测试,不仅要测试电路或网络的开路和短路等是否符合要求而且还应该测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内,必须保证电路板能够使信号传输过程中不发生反射现象和信号保持完整降低传输损耗起到阻抗匹配的作用,这样电子产品才能得到完整可靠精确无干扰噪音的传输信号。特性阻抗的影响除了与布线设计有关以外,还与电路板的制作有关。本文主要是对特性阻抗的电路板制作中的主要影响因素进行模拟实验,并对实验结果进行分析总结。
一、特性阻抗的定义及主要影响因素
在信号的传输过程中,在信号传达的地方,信号线和参考平面(电源平面或地平面)之间由于电场的建立,就会产生一个瞬间的电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就会始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,则在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,我们把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗(Characteristic Impedance)Z。
在电路板中出现次数最多的就是微带线和带状线,微带线出现在多层板的表面层,它只有一个参考层;而带状线出现在多层板的内层,它有两个参考层。(见图1)
根据特性阻抗理论,可以看出特性阻抗值的大小就是调整导线宽度、介质层厚度、导线的厚度、和材料的介电常数。IPC中给出了微带线的通用近似公式:
从公式中可以看出特性阻抗值与介质层厚度成正比,与铜层厚度、线宽、介电常数成反比。其中介电常数是由所用材料本身的特性所决定,而铜层的厚度、线宽、介质层厚度与电路板制造商的制作过程息息相关。
二、模拟实验
由于介电常数由所用材料的本身特性所决定,因此此次模拟实验将介电常数设为固定数(),只对外层微带线的制造影响因素进行模拟实验,实验条件按照PCB行业中普通制程能力进行设计,并分别对实验结果进行分析总结。
制造影响因素??介质层厚度
当铜层厚度保持不变(厚度为1OZ),/,逐级针对介质层厚度对阻抗值的影响进行分析。
从表一和图2可以看出,特性阻抗值Z0与介质层厚度成正比。由此可知,当介电常数、铜层厚度、线宽不变时,介质层厚度越厚其特性阻抗值越大,所以介质层厚度是影响特性阻抗值的主要因素。
从表一中的阻抗差值一栏和图2中曲线图的弧形可以看出,特性阻抗值的增加值随着介质层厚度的增加,。即说明介质层厚度的正负偏差对特性阻抗的影响不一致,负偏差对特性阻抗的影响大于正偏差对特性阻抗的影响。从而在实际阻抗设计中,介质层的厚度设计尽量趋向于正偏差。
介质层均匀性对阻抗的影响
本次模拟实验的条件是: