在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）是極為關(guān)鍵的部件，無論是高速電路、高頻電路還是毫米波相關(guān)產(chǎn)品，都離不開它。而 PCB 板的加工是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋 PCB 材料、藥水、加工工藝以及線路幾何參數(shù)等多個(gè)方面，其中諸多因素都會(huì)對傳輸線的阻抗造成影響。

一、影響傳輸線阻抗的因素

（一）線路幾何參數(shù)

1、線寬

線寬與阻抗成反比關(guān)系，即線寬越寬，阻抗越?。痪€寬越窄，阻抗越大。在生產(chǎn)過程中，若工藝不穩(wěn)定致使線寬發(fā)生變化，那么阻抗也會(huì)隨之改變。據(jù)與眾多廠商合作的經(jīng)驗(yàn)，傳輸線線寬的變化幅度通常在 10% 左右。將線寬變化類型設(shè)為 Gauss 分布，std 設(shè)為 10%，利用 ADS CILD 進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示阻抗最低可達(dá) 46ohm，最高可達(dá) 58ohm。在較長的傳輸線上，這種極端狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致回波損耗增大，插入損耗也會(huì)相應(yīng)增加。

2、線長

傳輸線長度增加時(shí)，信號(hào)傳輸路徑變長，分布電容和電感也會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化。隨著線長的增長，信號(hào)在傳輸過程中受到的影響更為復(fù)雜，阻抗的改變也會(huì)對信號(hào)完整性產(chǎn)生較大影響 。此處說的不是特征阻抗。我們單純把走線和與參考平面看成是電容關(guān)系，隨著走線越長，綜合出來的電容值也會(huì)變大。

3、線間距

線間距增大，線間的耦合電容減小，互感也會(huì)有所變化，這會(huì)使傳輸線的阻抗增大。合適的線間距對于控制傳輸線阻抗以及減少線間干擾至關(guān)重要，在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的電路要求和信號(hào)特性來合理設(shè)置線間距 。

4、參考平面

參考平面是 PCB 設(shè)計(jì)中影響傳輸線阻抗的重要因素。傳輸線與參考平面之間的距離、參考平面的完整性以及參考平面的材質(zhì)等都會(huì)對阻抗產(chǎn)生影響。當(dāng)傳輸線與參考平面的距離減小時(shí)，電容增大，阻抗減??；反之，距離增大則阻抗增大。同時(shí)，若參考平面存在不連續(xù)或分割的情況，會(huì)導(dǎo)致傳輸線的電流分布發(fā)生變化，從而改變阻抗。此外，不同材質(zhì)的參考平面具有不同的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，也會(huì)影響傳輸線的阻抗特性 。

（二）PCB 材料相關(guān)

1、銅箔厚度

在 PCB 產(chǎn)品里，銅厚分為基銅厚度和鍍銅厚度。通?；~相對較為均勻，但也并非絕對；鍍銅的均勻性則因工廠穩(wěn)定性不同而差異較大。鍍銅厚度的變化會(huì)致使傳輸線阻抗和損耗改變。假設(shè)鍍銅的變化范圍為 10%，通過 ADS CILD 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示阻抗主要在 49.5 到 51ohm 之間變化，相較于線寬變化對阻抗的影響，其變化區(qū)間較小。

2、介質(zhì)厚度

在 PCB 生產(chǎn)時(shí)，介質(zhì)厚度的變化主要源于原材料、生產(chǎn)過程中的壓合以及填膠環(huán)節(jié)。一旦介質(zhì)厚度發(fā)生變化，不僅會(huì)造成阻抗改變，還會(huì)影響損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致傳輸線出現(xiàn)較大損耗。從仿真結(jié)果來看，阻抗變化分布在 44ohm 到 54ohm 之間，變化范圍可達(dá) 10ohm。

3、介電常數(shù)

介電常數(shù)對傳輸線阻抗有著重要影響，一般來說，介電常數(shù)與阻抗成反比關(guān)系。不同類型的 PCB 板材具有不同的介電常數(shù)，即使是同一種板材，其介電常數(shù)也可能存在波動(dòng)，進(jìn)而影響傳輸線的阻抗。

4、介質(zhì)損耗角

介質(zhì)損耗角同樣會(huì)對傳輸線的性能產(chǎn)生作用。

把一塊環(huán)氧樹脂印刷電路板材料(兩面都沒有覆銅)放到微波爐中，全功率加熱1分鐘它會(huì)被微波顯著地加熱。同樣地，用陶瓷盤子，或者耐熱玻璃也放進(jìn)微波爐，它同樣也被加熱。事實(shí)上，幾乎任何絕緣材料都能被微波爐加熱。在交變電場環(huán)境中被絕緣材料吸收的熱量，與這種材料的介電損耗系數(shù)(dielectric loss factor)成正比。當(dāng)絕緣材料作為傳輸線的絕緣介質(zhì)時(shí)，介電損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為信號(hào)衰耗。介電損耗越高，導(dǎo)致的衰耗越大。

如果我們的信號(hào)線附著在電介質(zhì)基板上，信號(hào)是高頻變化的交變電磁場，效果跟把基板放在微波爐是一樣的情況，只不過能量沒有那么大而已。

介電損耗是頻率的函數(shù)。當(dāng)數(shù)字設(shè)備的頻率低于1GHz時(shí),通常作為印刷電路板材料的環(huán)氧樹脂(FR-4)，其介電損耗可以忽略。在高頻條件下，F(xiàn)R-4的介電損耗變得很大。對于高頻電路，設(shè)計(jì)者應(yīng)該選用陶瓷基板材料，如氧化鋁。在千兆赫茲的情況下，這類材料的介電損耗系數(shù)更好。

（三）加工工藝相關(guān)

1、蝕刻因子

由于導(dǎo)體存在一定厚度，在生產(chǎn)過程中蝕刻出的導(dǎo)線并非標(biāo)準(zhǔn)的 “矩形” 結(jié)構(gòu)，而是接近 “梯形”（實(shí)際也并非完全梯形）。該梯形的角度會(huì)隨銅厚變化而改變，銅厚越薄，角度越接近 90°，而這個(gè)角度大小會(huì)影響阻抗。例如，當(dāng)角度為 70° 時(shí)，阻抗約為 50ohm；當(dāng)角度為 90° 時(shí)，阻抗約為 48.37ohm。

2、蝕刻藥水特性

蝕刻藥水的特性會(huì)影響蝕刻效果，進(jìn)而影響導(dǎo)線的最終形態(tài)和尺寸，對傳輸線阻抗產(chǎn)生間接影響。

3、加工穩(wěn)定性

加工穩(wěn)定性是一個(gè)綜合因素，它涵蓋了生產(chǎn)過程中的多個(gè)環(huán)節(jié)。以傳輸線線寬為例，如果 PCB 生產(chǎn)過程中工藝不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致線寬發(fā)生變化。根據(jù)與眾多廠商合作的經(jīng)驗(yàn)，傳輸線線寬的變化幅度通常在 10% 左右。將線寬變化類型設(shè)置為 Gauss 分布，std 設(shè)置為 10%，利用 ADS CILD 進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明阻抗最低可達(dá) 46ohm，最高可達(dá) 58ohm。在較長的傳輸線上，這種極端狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致回波損耗增大，插入損耗也會(huì)相應(yīng)增加。

二、綜合影響分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，影響傳輸線阻抗的因素并非單一變量變化，而是多個(gè)因素可能同時(shí)發(fā)生改變。當(dāng)多個(gè)因素同時(shí)變化時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，阻抗主要在 40ohm 到 56ohm 之間變化，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般 50±10% 的要求。由此可見，對于高速高頻電路產(chǎn)品或高端產(chǎn)品而言，在整個(gè) PCB 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格把控每一種物料、每一個(gè)線路幾何參數(shù)以及每一個(gè)加工環(huán)節(jié)，否則極易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)意想不到的問題。

PCB工廠一般用于調(diào)整走線阻抗的手段有：

PCB生產(chǎn)工廠在實(shí)現(xiàn)特征阻抗控制時(shí)，一般采用以下方法和工藝來確保設(shè)計(jì)滿足信號(hào)完整性要求：

1. 選擇合適的基板材料

• 使用具有精確且穩(wěn)定介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗因子（Df）的材料，如 FR4、Rogers、PTFE 等。

• 控制基板厚度，以確保層間距離的一致性。

2. 走線寬度與間距控制

• 使用阻抗計(jì)算工具（如 Polar SI8000、ADS、HyperLynx）根據(jù)特定的特征阻抗要求（如 50Ω 或 100Ω）計(jì)算出走線寬度和間距。

• 精密的 PCB 生產(chǎn)設(shè)備可以將走線寬度和間距精確控制到微米級別。

3. 層疊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

• 合理設(shè)計(jì) PCB 的層數(shù)和層間疊層結(jié)構(gòu)，確保信號(hào)層與參考地層之間的距離符合阻抗要求。

4. 蝕刻工藝控制

• 精密控制蝕刻時(shí)間和蝕刻參數(shù)，避免走線寬度和邊緣不規(guī)則導(dǎo)致的阻抗變化。

• 使用化學(xué)或激光蝕刻工藝來實(shí)現(xiàn)高精度走線。

5. 預(yù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

• 考慮制造公差，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)調(diào)整走線寬度進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以確保成品阻抗接近設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6. 電鍍厚度控制

• 控制銅層厚度，因?yàn)殂~的厚度變化會(huì)直接影響特征阻抗。

• 使用電鍍后蝕刻工藝或控制化學(xué)鍍銅厚度來確保一致性。

7. 阻焊層厚度與材料控制

• 阻焊層的厚度和介電常數(shù)會(huì)影響特征阻抗，因此需要嚴(yán)格控制阻焊材料的選擇和厚度。

8. 阻抗測試與校準(zhǔn)

• 在 PCB 生產(chǎn)過程中，使用阻抗測試儀（如 TDR 測試儀）進(jìn)行在線或抽樣檢測。

• 通過閉環(huán)反饋調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，以優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)果。

9. 差分對走線控制

• 對于差分信號(hào)，需要嚴(yán)格控制差分對之間的走線間距、走線長度差（skew）和對稱性。