電路板

PCB線路板為什么要做阻抗嗎

阻抗對于PCB電路板的意義何在，PCB電路板為什么要做阻抗？本文介紹了什么是阻抗及阻抗的類型，其次介紹了PCB線路板為什么要做阻抗，后闡述了阻抗對于PCB電路板的意義，具體的跟隨小編一起來了解一下。

什么是阻抗？

在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一個復數，實部稱為電阻，虛部稱為電抗，其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗 ，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗，電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。阻抗的單位是歐。

阻抗類型

（1）特性阻抗

在計算機﹑無線通訊等電子信息產品中， PCB的線路中的傳輸的能量， 是一種由電壓與時間所構成的方形波信號（square wave signal， 稱為脈沖pulse），它所遭遇的阻力則稱為特性阻抗。



（2）差動阻抗

驅動端輸入極性相反的兩個同樣信號波形，分別由兩根差動線傳送，在接收端這兩個差動信號相減。差動阻抗就是兩線之間的阻抗Zdiff。



（3）奇模阻抗

兩線中一線對地的阻抗Zoo，兩線阻抗值是一致。



（4）偶模阻抗

驅動端輸入極性相同的兩個同樣信號波形， 將兩線連在一起時的阻抗Zcom。



（5）共模阻抗

兩線中一線對地的阻抗Zoe，兩線阻抗值是一致，通常比奇模阻抗大。

PCB線路板為什么要做阻抗？

pcb線路板阻抗是指電阻和對電抗的參數，對交流電所起著阻礙作用。在pcb線路板生產中，阻抗處理是的。原因如下：

1、PCB線路（板底）要考慮接插安裝電子元件，接插后考慮導電性能和信號傳輸性能等問題，所以就會要求阻抗越低越好，電阻率要低于每平方厘米1&TImes;10-6以下。

2、PCB線路板在生產過程中要經歷沉銅、電鍍錫（或化學鍍，或熱噴錫）、接插件焊錫等工藝制作環節，而這些環節所用的材料都電阻率底，才能線路板的整體阻抗低達到產品質量要求，能正常運行。

3、PCB線路板的鍍錫是整個線路板制作中容易出現問題的地方，是影響阻抗的關鍵環節?；瘜W鍍錫層大的缺陷就是易變色（既易氧化或潮解）、釬焊性差，會導致線路板難焊接、阻抗過高導致導電性能差或整板性能的不穩定。

4、PCB線路板中的導體中會有各種信號傳遞，當為提高其傳輸速率而提高其頻率，線路本身如果因蝕刻、疊層厚度、導線寬度等因素不同，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真，導致線路板使用性能下降，所以就需要控制阻抗值在一定范圍內。

阻抗對于PCB電路板的意義

對電子行業來說，據行內調查，化學鍍錫層致命的弱點就是易變色（既易氧化或潮解）、釬焊性差導致難焊接、阻抗過高導致導電性能差或整板性能的不穩定、易長錫須導致PCB線路短路以至燒毀或著火事件。

據悉，國內先研究化學鍍錫的當是上世紀90年代初昆明理工大學，之后就是90年代末的廣州同謙化工（企業），一直至今，10年來行內均有認可該兩家機構是做得好的。其中，據我們對眾多企業的接觸篩選調查、實驗觀測以及長期耐力測試，證實同謙化工的鍍錫層是低電阻率的純錫層，導電和釬焊等質量可以到較高的水準，難怪他們敢對外其鍍層在無須任何封閉及防變色劑保護的情況下，能保持一年不變色、不起泡、不脫皮、不長錫須。

后來當整個社會生產業發展到一定程度的時候，很多后來參與者往往是屬于互相抄襲，其實相當一部分企業自己本身并沒有研發或能力，所以，造成很多產品及其用戶的電子產品（線路板板底或電子產品整體）性能不佳，而造成性能不佳的主要原因就是因為阻抗問題，因為當不合格的化學鍍錫技術在使用過程中，其為PCB線路板所鍍上去的錫其實并不是真正的純錫（或稱屬單質），而是錫的化合物（即根本就不是金屬單質，而是金屬化合物，氧化物或鹵化物，更直接地說是屬于非金屬物質）或錫化合物與錫金屬單質的混合物，但單憑借肉眼是很難發現的…

因為PCB線路板的主體線路是銅箔，在銅箔的焊點上就是鍍錫層，而電子元件就是通過焊錫膏（或焊錫線）焊接在鍍錫層上面的，事實上焊錫膏在融熔狀態焊接到電子元件和錫鍍層之間的是金屬錫（即導電良好的金屬單質），所以可以簡單扼要地指出，電子元件是通過錫鍍層再與PCB板底的銅箔連接的，所以錫鍍層的純潔性及其阻抗是關鍵；又，但未有接插電子元件之前，我們直接用儀器去檢測阻抗時，其實儀器探頭（或稱為表筆）兩端也是通過先接觸PCB板底的銅箔表面的錫鍍層再與PCB板底的銅箔來連通電流的。所以錫鍍層是關鍵，是影響阻抗的關鍵和影響PCB整板性能的關鍵，也是易于被忽略的關鍵。

眾所周知，除金屬單質外，其化合物均是電的不良導體或甚至不導電的（又，這也是造成線路中存在分布容量或傳布容量的關鍵），所以錫鍍層中存在這種似導電而非導電的錫的化合物或混合物時，其現成電阻率或未來氧化、受潮所發生電解反應后的電阻率及其相應的阻抗是相當高的（足已影響數字電路中的電平或信號傳輸，）而且其特征阻抗也不相一致。所以會影響該線路板及其整機的性能。

所以，就現時的社會生產現象來說，PCB板底上的鍍層物質和性能是影響PCB整板特征阻抗的主要原因和直接的原因，但又由于其具有隨著鍍層老化及受潮電解的變化性，所以其阻抗產生的憂患影響變得更加隱性和多變性，其隱蔽的主要原因在于：不能被肉眼所見（包括其變化），二不能被恒常測得，因為其有隨著時間和環境濕度的改變而變的變化性，所以總是易于被人忽略。

PCB多層板表面處理方式分類：
1.熱風整平涂布在PCB表面的熔融錫鉛焊料和加熱壓縮空氣流平（吹氣平整）過程。使其形成抗銅氧化涂層，可提供良好的可焊性。熱風焊料和銅在結合處形成銅 - 錫金屬化合物，其厚度約為1～2mil；


2.有機抗氧化（OSP）通過化學方法在清潔的裸銅表面上生長一層有機涂層。這種PCB多層板薄膜具有抗氧化，耐熱沖擊，防潮，以保護銅表面在正常環境下不再生銹（氧化或硫化等）;同時，在隨后的焊接溫度下，焊接用焊劑很容易快速去除；

3.鎳金化學在銅表面，涂有厚實，良好的鎳金合金電性能，可以保護PCB多層板。很長一段時間不像OSP，它只用作防銹層，它可以用于長期使用PCB并獲得良好的電能。此外，它還具有其他表面處理工藝所不具備的環境耐受性；

4.化學鍍銀沉積在OSP與化學鍍鎳/鍍金之間，PCB多層板工藝簡單快速。暴露在炎熱，潮濕和污染的環境中仍然提供良好的電氣性能和良好的可焊性，但失去光澤。由于銀層下沒有鎳，沉淀的銀不具有化學鍍鎳/浸金的所有良好的物理強度；

5.在PCB多層板表面導體上鍍鎳金，鍍一層鎳然后鍍一層金，鍍鎳主要是為了防止金與銅之間的擴散。有兩種類型的鍍鎳金：軟金（，這意味著它看起來不亮）和硬金（光滑，堅硬，耐磨，鈷和其他元素，表面看起來更亮）。軟金主要用于芯片包裝金線；硬金主要用于非焊接電氣互連。

6.PCB混合表面處理技術選擇兩種或兩種以上表面處理方法進行表面處理，常見的形式有：鎳金防氧化，鍍鎳金沉淀鎳金，電鍍鎳金熱風整平，常見形式有：鎳金防 - 氧化，鍍鎳金沉淀鎳金，電鍍鎳金熱風整平，重鎳和金熱風平整。盡管PCB多層板表面處理過程的變化并不顯著，并且似乎有些牽強，但應該注意的是，長期緩慢的變化將導致的變化。隨著對環境保護的需求不斷增加，PCB的表面處理工藝必將在未來發生變化。

PCB板材的Tg值

業界長期以來，Tg值是常見的用來劃分FR-4基材的等級指標，通常認為Tg值越高，材料的可靠性越高。

比如下圖老wu在南亞上邊截取的關于FR-4板材的說明：

Tg135℃，板材用途：主機板、消費類電子產品等

Tg180℃，板材用途：CPU主板，DDR3 內存基板，IC封裝用基板等等。

基材對于印刷電路板的作用，就像印刷電路板對于電子器件的作用一樣重要。按照PCB的基材按性質可分為有機基板和無機基板兩個大的體系。

有機基板由酚醛樹脂浸漬的多層紙層或環氧樹脂、聚酰亞胺、氰酸酯、BT 樹脂等浸漬的無紡布或玻璃布層組成。這些基板的用途取決于 PCB 應用所需的物理特性,如工作溫度、頻率或機械強度。

無機基板主要包括陶瓷和金屬材料，如鋁、軟鐵、銅。這些基板的用途通常取決于散熱需要。

我們常用的剛性印制板基板屬于有機基板，比如FR-4環氧玻纖布基板，是以環氧樹脂作粘合劑，以電子級玻璃纖維布作增強材料的一類基板。

我們看到，FR-4以環氧樹脂作為粘合劑，樹脂材料有一個重要特性參數：玻璃化轉變溫度Tg（glass transition temperature），指的是材料從一個相對剛性或“玻璃”狀態轉變為易變性或軟化狀態的溫度轉變點。

玻璃態物質在玻璃態和高彈態之間相互可逆轉化的溫度。啥意思？就是說FR-4基板的粘合劑環氧樹脂若溫度低于Tg，這時材料處于剛硬的“玻璃態”。當溫度Tg時，材料會呈現類似橡膠般柔軟可撓的性質。對！它~變【軟】了~ 圖片



玻璃態

樹脂材料處于溫度Tg以下的狀態為堅硬的固體即玻璃態。在外力作用下有一定的變形但變形可逆，即外力消失后，其形變也隨之消失，是大多數樹脂的使用狀態。

高彈態

當樹脂受熱溫度超過Tg時，無定形狀態的分子鏈開始運動，樹脂進入高彈態。處于這一狀態的樹脂類似橡膠狀態的彈性體，但仍具有可逆的形變性質。

注意，溫度超過Tg值后，材料逐漸變軟，是逐漸，而且只要樹脂沒有發生分解，當溫度冷卻到Tg值以下時，它還是可以變回之前性質相同的剛性狀態。

氮素，有個Td值，叫熱分解溫度，樹脂類材料被加熱至某一高溫點時，樹脂體系開始分解。樹脂內的化學鍵開始斷裂并伴隨有揮發成分溢出，那PCB基材里的樹脂就變少了。Td點指的是這個過程開始發生的溫度點。Td通常定義為失去原質量5%時對應的分解溫度點。但這5%對于多層PCB來說是非常高的了。

我們知道，影響PCB上傳輸線特性阻抗的因素有，線寬，走線與參考平面間距，板材介電常數等等。而基板材料的樹脂量對介電特性有很大的影響，而且樹脂揮發后對控制走線與參考平面的間距也有影響。

對于無鉛焊接工藝需要考慮這個Td值，比如傳統的錫鉛焊接工藝溫度范圍為210~245℃，而無鉛焊接工藝溫度范圍為240~270℃。

下邊兩個這個截圖是老wu在建滔官網上下載的兩份板材的參數表做的對比，左邊的是FR-4常規系列板材，右邊是FR-4無鉛板材

常規FR4 板材 KB-6160 Tg值為135℃，5%質量損失Td值為305℃

FR4無鉛板材 KB-6168LE Tg值為 185℃，5%質量損失Td值為359℃

我們看到，常規FR4板材的Td值都在300℃以上，而有鉛焊接工藝溫度范圍在240~270℃，Td值完全滿足哇，為啥還要搞個無鉛版本呢？

正如老wu上邊所述，5%的樹脂質量揮發率對于需要控制阻抗的多層PCB來說顯得太大了，對于錫鉛焊接工藝來說，210~245℃的溫度材料基本不會出現明顯的熱分解，而無鉛焊接的240~270℃溫度區間，對于普通Tg FR-4 基材來說，已經開始損失1.5~3%的樹脂質量。雖然不到IPC標準所要求的5%，但這損失的樹脂質量也不可忽視。同時，這個分解水平，還可能會影響基材長期的可靠性或導致焊接過程中出現分層或空洞的缺陷，特別是需要多次焊接的過程或存在返修加熱的情況。

所以，如果采用無鉛焊接工藝的話，除了考慮Tg值，還要考慮Td值。

基板材料的性能在Tg值以上和在Tg值以下時差異很大，不過，Tg值一般被描述為一個非常的溫度值，比如Tg135，并不是說溫度一超過135℃基板就變得軟趴趴，而是當溫度接近Tg值開始，材料的物料性能會開始改變，它是一個逐步變化的過程。

樹脂體系的Tg值對材料的性能影響主要有兩個方面：

熱膨脹的影響

樹脂體系固化時間

板材受熱膨脹，腦補一下畫面，SMT焊接時BGA焊盤的間距是不是也就跟著變化了？而且，熱膨脹導致的機械應力，會對PCB上的走線和焊盤的連接造成細微的裂紋，這些裂紋可能在PCB生產完畢后的開/短路測試時不會被發現，而在SMT等二次加熱后故障就顯現出來了，這往往讓人很懵逼，而糟糕的情況是，SMT加熱時暗病都沒出現，在產品出去之后，在冷熱交替的使用環境中，板材的受熱膨脹讓這些細微的裂紋隨機性的發生，造成設備故障。

基板材料熱性能參數除了標準Tg、Td值，還有熱膨脹系數CTE，有X/Y軸方向的CTE也有Z軸方向的CTE。

Z軸的CTE對PCB的可靠性有很重要的影響。由于鍍覆孔貫穿PCB的Z軸，所以基材中的熱膨脹和收縮會導致鍍覆孔扭曲和塑性形變，也會使PCB表面的銅焊盤變形。

而SMT時，X/Y軸的CTE則變得非常重要。特別是采用芯片級封裝（CSP）和芯片直接貼裝時，CTE的重要性更為，同時，X/Y軸的CTE也會影響覆銅箔層壓板或PCB的內層附著力和抗分層能力。特別是采用無鉛焊接工藝的PCB來說，每一層中的X/Y軸CTE值就顯得尤其重要了。

那么，是不是高Tg值的基材就是好呢？在關于Tg值的許多討論中，往往認為較高的Tg值總是對基材有利的，但情況也并非總是如此?？梢源_定的是，對于一種給定的樹脂體系，高Tg值基材在受熱時的材料高速率膨脹開始時間要相對晚一些，而整體膨脹則與材料的種類有很大關系。低Tg值的基材可能會比高Tg值的基材表現出更小的整體膨脹，這主要與樹脂本身的CTE值，或者樹脂配方中加入無機填料 降低了基材的CTE有關。

同時還要注意的是，有些低端的FR-4材料，標準Tg值是140℃的基材比標準Tg值是170℃的基材具有更高的熱分解溫度Td值。如上邊老wu所述，Td對于無鉛焊接來說是一個很重要的指標，一般建議選擇Td數值較大的，而的FR-4往往同時具備高的Tg值和高Td值。

此外，高Tg值的基材往往比低Tg值的基材剛性更大且更脆，這往往會影響PCB制造過程的生產效率，特別是鉆孔工序。

比如某創就發帖子說明，隨著板子越來越密，過孔與過孔之間的間隙越來越小，對于材料要求越來越高，為此某創將提供TG=155的中TG板材為多層板收費服務！

為啥多收費？

TG=155的板材比TG=135的成本高20%左右,嗯 來料貴了

因為鉆孔,中TG用新鉆鉆咀效果更佳（一般鉆咀能磨4次），因為太硬

壓合時間：普通TG=135的只需要壓合110分鐘，而中TG=1 55的壓合150分鐘

為啥要提供中或高Tg板材，板廠那邊說，原因之一是因為高密的過孔，普通TG的過孔間距不能小于12MIL，而中TG不能小于 10MIL，因為板材有玻璃布，在鉆孔的時候會有一些拉傷，兩個過孔之間你拉一點我拉一點就形成了燈芯效應，而中TG因為硬，板材內的成份不一樣，又加上用新鉆咀能有效的防范燈芯效應，后續對于難度高的多層板，過孔間間隙太密，某創會強制客選擇用中TG板材生產！

原因之二是基板的Tg提高了， 印制板的耐熱性、耐潮濕性、耐化學性、耐穩定性等特征都會提高和改善。TG值越高，板材的耐溫度性能越好，尤其在無鉛噴錫制程中，高Tg應用比較多。

這是從板廠的可制造性方面考慮，而如果是PCB裝配采用無鉛焊接工藝的話，還需要綜合考慮玻璃化轉變溫度Tg、分解溫度Td、熱膨脹系數CTE、吸水率、分層時間等等因素。