立木胸徑無(wú)線遙測(cè)方法及其信號(hào)的傳輸衍射規(guī)律研究

隨著電子產(chǎn)品小型化、數(shù)字化、高頻化和多功能化等的快速發(fā)展與進(jìn)步，作為電子產(chǎn)品中電氣的互連件—PCB中的導(dǎo)線的作用，已不僅只是電流流通與否的問(wèn)題，而且是作為“傳輸線”的作用。也就是說(shuō)，對(duì)于高頻信號(hào)或高速數(shù)字信號(hào)的傳輸用的PCB之電氣測(cè)試，不僅要測(cè)試線路的“通”、“斷”、“短路”等是否合乎要求，而且還要其“特性阻抗值”是否合乎要求，只有這兩方面都“合格”了，PCB才符合允收性。

1、信號(hào)傳輸線的提出

1.1 信號(hào)傳輸線的定義

這是為了區(qū)別常規(guī)導(dǎo)線而提出的名稱。按IPC-2141的3.4.4條的定義：“當(dāng)信號(hào)在PCB導(dǎo)線中傳輸時(shí)，若導(dǎo)線的長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng)的1/7，此時(shí)的導(dǎo)線便成為信號(hào)傳輸線”了。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，導(dǎo)線的長(zhǎng)度接近波長(zhǎng)的1/10時(shí)，應(yīng)按信號(hào)傳輸線處理。顯然，后者更嚴(yán)格（顯得‘過(guò)分’），但大多數(shù)人認(rèn)定為前者。

大家知道，電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)受到一個(gè)“阻力”，在直流電中是電阻，符合歐姆定律。即：

R=V/I

在交流電中的“阻力”是由“電阻”、“感抗”和“容抗”的綜合結(jié)果，即：

Z=〔R2+（XL-XC）2〕1/2

1.2 信號(hào)傳輸線的判斷

元件有很高頻率信號(hào)傳輸，但經(jīng)過(guò)導(dǎo)線傳輸后，頻率下降（時(shí)間延遲）了，導(dǎo)線越長(zhǎng)，時(shí)間延長(zhǎng)越厲害，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度接近于波長(zhǎng)時(shí)，或信號(hào)速度（頻率）提高到某一范圍時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)便會(huì)出現(xiàn)明顯的“失真”。

⑴高頻信號(hào)的傳輸。

假設(shè)：（一）元件的信號(hào)傳輸頻率f=10MHZ，導(dǎo)線L=50cm,則

C=f*λ

λ= C/f

λ/L= C/f*L=60

屬于常規(guī)導(dǎo)線。

（二）元件的信號(hào)傳輸頻率f=1GHZ，導(dǎo)線的長(zhǎng)度L=10cm,則

λ/L= C/f*L=3

不屬于常規(guī)導(dǎo)線，應(yīng)進(jìn)行特性阻抗值控制的傳輸線。

⑵脈沖信號(hào)的傳輸。在數(shù)字電路中從“0”到“1”的上升時(shí)間tr是很短的.但可用下面公式來(lái)計(jì)算頻率fmax：

fmax=0.35/tr

假設(shè)：元件的上升時(shí)間tr是=2ns，則

fmax=0.35/tr=175 MHZ

L= C/ fmax*7=24.5 cm

當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度≥24.5 cm時(shí)，應(yīng)作為信號(hào)傳輸線處理。

目前：TTL（transister-transister logic）的tr為4ns→1ns→0.5ns→

ECL(emitter-coupled logic) 的tr為3ns→1ns→0.5ns→

⑶信號(hào)傳輸線必須進(jìn)行特性阻抗值控制。

如果不進(jìn)行特性阻抗值控制時(shí)，在線路中產(chǎn)生的信號(hào)“反射”，會(huì)“抵消”正在傳輸信號(hào)。λ/L比率越小，“反射”越嚴(yán)重，則會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題：

①信號(hào)（或能量）傳輸效率明顯下降；

②由于反復(fù)干擾（抵消）信號(hào)傳輸，將隨著頻率增加而嚴(yán)重化；

③部分“能量”是會(huì)以電磁波輻射出去，在內(nèi)部導(dǎo)線或網(wǎng)絡(luò)之間形成EMI。

1.3、信號(hào)普通線與信號(hào)傳輸線的差別

信號(hào)普通線與信號(hào)傳輸線的差別主要有三個(gè)方面：

⑴信號(hào)普通線是指第一信號(hào)傳輸被接受完成后，才發(fā)送第二個(gè)信號(hào)，因此第一個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程中的“反射”信號(hào)，不會(huì)抵消第二個(gè)信號(hào)。而信號(hào)傳輸線的特征是第一個(gè)信號(hào)傳輸還沒(méi)有被接受，就發(fā)送第二個(gè)信號(hào)，因此第一信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的“反射”信號(hào)就可抵消第二個(gè)信號(hào)而削弱了第二個(gè)信號(hào)，頻率越快的傳輸信號(hào)，則“失真”就越多，甚至信號(hào)消失。

⑵信號(hào)普通線，由于信號(hào)傳輸速度慢，“反射”信號(hào)不會(huì)抵消后面?zhèn)鬏數(shù)男盘?hào)。因此，導(dǎo)線的粗細(xì)、缺陷（缺口、針孔）等是允許某些程度存在著。而在信號(hào)傳輸線中，這些粗細(xì)、缺陷等要進(jìn)行十分嚴(yán)格的要求。

⑶信號(hào)普通線，不要求特性阻抗值控制，只要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測(cè)試。而信號(hào)傳輸線要求特性阻抗值控制，即除了要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測(cè)試外，還必須有特性阻抗值控制的測(cè)試。

2、PCB中特性阻抗值Z0的設(shè)計(jì)

2.1、Z0的的結(jié)構(gòu)類型與計(jì)算方法

主要有兩種：微帶線和帶狀線及其派生的各種各樣的結(jié)構(gòu)，如何選用，應(yīng)視元件和電子產(chǎn)品而定。

微帶線(適合Z0較大的場(chǎng)合)。

Z0 ={87/（εr+1.41）1/2 }ln{5.98H/(0.8W+T)}

帶狀線（適合Z0較小的場(chǎng)合）。

Z0 =60ln{4D/[0.67π(0.8W+T) ]}

公式中的D為介質(zhì)量層厚度。

2.2、微帶線的的結(jié)構(gòu)與計(jì)算方法

根據(jù)信號(hào)傳輸線的不同位置可以形成各種各樣的結(jié)構(gòu)及其計(jì)算方法（參見(jiàn)《現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)》一書(shū)第十四章）。

2.3、特性阻抗值Z0的一般設(shè)計(jì)規(guī)則

⑴選用合適的基板（CCL）材料和PCB結(jié)構(gòu)，確定信號(hào)傳輸線的長(zhǎng)度等以確定PCB尺寸。

⑵合理的布局與布線，使每組（網(wǎng)絡(luò)）導(dǎo)線的特性阻抗值Z0與元（組）件的特性阻抗值相匹配。

⑶應(yīng)考慮基板材料品質(zhì)的不穩(wěn)定波動(dòng)、PCB制造過(guò)程的偏差與控制和PCB設(shè)計(jì)的因素等帶來(lái)在PCB中特性阻抗值Z0偏差的補(bǔ)救與修正的措施和辦法。

3、信號(hào)傳輸線的布設(shè)

3.1信號(hào)傳輸線的長(zhǎng)度越短越好

根據(jù)信號(hào)“傳輸線”的定義，信號(hào)線布設(shè)得很短，使其長(zhǎng)度小于1/7傳輸信號(hào)波長(zhǎng)，便可消除傳輸信號(hào)被“反射”信號(hào)而削弱問(wèn)題?；蛘哒f(shuō)，信號(hào)線布設(shè)，其長(zhǎng)度短到小于1/7傳輸信號(hào)波長(zhǎng)，則其布設(shè)的導(dǎo)線便可按普通線處理。

如何使信號(hào)線布設(shè)得更短呢！除了高頻的元件合理布設(shè)外，應(yīng)在PCB板上的互連結(jié)構(gòu)上下工夫，如采用埋/盲孔、盤(pán)內(nèi)孔（hole in pad）、疊孔和HDI/BUM等結(jié)構(gòu)來(lái)縮短走線。

3.2、高密度布線，介質(zhì)層越薄，串?dāng)_越小

介質(zhì)層越厚，電磁交叉感應(yīng)越強(qiáng)，串?dāng)_越嚴(yán)重！

介質(zhì)層要薄，必須選擇低εr材料。

3.3、采用非平行走線

密集的平行走線將帶來(lái)更大的電感與電容，從而產(chǎn)生更大的串?dāng)_，也是產(chǎn)生雜音的

原因之一。應(yīng)采用：

⑴相鄰的導(dǎo)線層之間互為直角布設(shè)；

⑵同一層上采用階梯式斜向（45度）布設(shè)；

⑶通過(guò)導(dǎo)通孔的絞線布設(shè)。

3.4、采用差分傳輸線

采用差分傳輸線可以明顯減小傳輸線的干擾，這在高頻和高速數(shù)字的信號(hào)傳輸中非常重要。

⑴差分傳輸線可以明顯減小傳輸線中信號(hào)的干擾，提高傳輸信號(hào)的完整性，這是PCB設(shè)計(jì)者所熟悉的。但是，不同差分傳輸線減小干擾信號(hào)的程度是不同的。為了減小對(duì)傳輸信號(hào)的“共?！备蓴_，采用的差分傳輸線，主要應(yīng)做到如下四個(gè) ：

（一）形狀和長(zhǎng)度相同，做到“共?！惫战牵床灰剐螤詈烷L(zhǎng)度不相同而引起“共?！备蓴_；

（二）由直角改為45度角，實(shí)驗(yàn)表明，其“共?！备蓴_可降低50%；

（三）采用補(bǔ)償 電容，如在 拐角的短線加一個(gè)合適的電容，可降低干擾；

（四）形成雙絞方式差分傳輸線。

⑵雙絞差分傳輸線。采用通孔在不同層之間來(lái)形成雙絞差分傳輸線是目前最有效地降低干擾信號(hào)的方法。

①有偏位（移）雙絞差分傳輸線。又可稱為常規(guī)雙絞差分傳輸線。

②沒(méi)有偏位（移）雙絞差分傳輸線。可獲得較好的降低信號(hào)干擾。

4、特性阻抗值Z0對(duì)基板（CCL）材料的要求

從Z0 ={87/（εr+1.41）1/2 }ln{5.98H/(0.8W+T)}公式中可以看出：影響特性阻抗值Z0的主要因素：

（一）介電常數(shù)εr；

（二）介質(zhì)層厚度H；

（三）信號(hào)傳輸線的寬度W；

（四）信號(hào)傳輸線的厚度。這些表明：特性阻抗值Z0與基板材料是息息相關(guān)著。實(shí)驗(yàn)也表明，影響特性阻抗值Z0從大到小是9（二）、（三）、（一）、（四）順序排列的。

4.1介電常數(shù)εr對(duì)特性阻抗值Z0的影響

⑴介電常數(shù)εr影響著信號(hào)的傳輸速度。

信號(hào)的傳輸速度是隨著介電常數(shù)εr的增加而下降。根據(jù)電磁波理論中的馬克斯威爾公式，即： Vs=c/(εr)1/2

表1

⑵介電常數(shù)εr的大小是復(fù)合材料的“加權(quán)和”。這就是說(shuō)，介電常數(shù)εr的大小是與介質(zhì)層的組成、結(jié)構(gòu)（復(fù)合組成與結(jié)構(gòu)）有關(guān)。如FR-4材料中，由于采用E-玻纖布的結(jié)構(gòu)（如7628、2116、1080、106等）不同，其樹(shù)脂含量是不同的，因此，其介電常數(shù)εr值是不一樣的。對(duì)于嚴(yán)格控制特性阻抗值Z0來(lái)說(shuō)，PCB設(shè)計(jì)和制造都應(yīng)該了解和加以計(jì)算，才能獲得更精準(zhǔn)的控制與結(jié)果。

⑶εr值變動(dòng)的大小比其它因素影響大，位居第三位。介電常數(shù)εr對(duì)特性阻抗值Z0的影響可以從Z0的公式中看出來(lái)：

Z0 ={87/（εr+1.41）1/2 }ln{5.98H/(0.8W+T)}

顯然，介電常數(shù)εr值越小，Z0值越大，εr值變動(dòng)的大小影響大，應(yīng)加以認(rèn)真控制。

4.2、介質(zhì)厚度對(duì)特性阻抗值Z0的影響

⑴從Z0的公式中可看出，Z0的值是與介質(zhì)厚度H的自然對(duì)數(shù)成正比的。

⑵在相同的厚度下，微帶線有較大的Z0值。

⑶厚度偏差對(duì)Z0值的影響是處于第一位的，因此必須很好控制介質(zhì)層的厚度。但由于厚度偏差主要是由CCL制造商，其次是PCB制造者（多層壓板）來(lái)控制的，一般偏差可控制在較小的范圍內(nèi)。

4.3、導(dǎo)線厚度對(duì)特性阻抗值Z0的影響

⑴從Z0的公式中可看出，Z0的值是隨著導(dǎo)線厚度T的減少而增加著。

⑵在相同的厚度下，微帶線有較大的Z0值。

⑶厚度偏差對(duì)Z0值的影響是最小的。

4.4、導(dǎo)線寬度對(duì)特性阻抗值Z0的影響

⑴從Z0的公式中可看出，Z0的值是隨著導(dǎo)線寬度W的下降而增加。

①計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)線寬度W對(duì)特性阻抗值Z0的影響是最大的。

②導(dǎo)線寬度W是PCB生產(chǎn)最難控制的，也是最需要進(jìn)行控制的。

⑵導(dǎo)線寬度偏差控制的意義。

導(dǎo)線寬度偏差控制的意義，在某種程度上是控制了PCB（OEM設(shè)計(jì)）的特性阻抗值Z0的范圍。因?yàn)檫x定CCL材料和完成PCB設(shè)計(jì)之后，這意味著：

①介電常數(shù)εr值、介質(zhì)厚度H值和導(dǎo)線厚度T值等基本不變，或變動(dòng)不大；

②導(dǎo)線寬度偏差最大，也最難控制，因?yàn)橹圃爝^(guò)程長(zhǎng)、影響多。

③導(dǎo)線較長(zhǎng)又是用來(lái)傳輸信號(hào)的，導(dǎo)線寬度偏差是影響特性阻抗值Z0的最大因素。

所以，導(dǎo)線寬度偏差值的控制是當(dāng)今HDI/BUM板的關(guān)鍵技術(shù)。

⑶導(dǎo)線寬度偏差的控制。

①導(dǎo)線寬度尺寸的迅速縮小，其控制越難，屬于“精細(xì)”節(jié)距的控制。

②常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)越來(lái)越不能滿足精細(xì)導(dǎo)線的要求了。

③激光直接成像技術(shù)是目前最好的制造精細(xì)導(dǎo)線的選擇。

5、特性阻抗值Z0的測(cè)試

5.1、特性阻抗的測(cè)試樣板

特性阻抗的測(cè)試樣板可按IEC 61188-1-2規(guī)定進(jìn)行。IPC-D-275（四種電路板傳輸線），IPC-D-317（高速電路板設(shè)計(jì)規(guī)范中傳輸線的種類）和IPC-TM-650等也作了規(guī)定。

5.2、特性阻抗的測(cè)試儀

目前是以英國(guó)Polar公司生產(chǎn)的特性阻抗測(cè)試儀。它是由時(shí)域反射計(jì)（TDR）、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和特制的附有1米長(zhǎng)電纜測(cè)試探頭以及待測(cè)的樣板（或互連板）等組成。

特性阻抗的測(cè)試原理是由時(shí)域反射計(jì)（TDR）向印制板發(fā)射出一個(gè)信號(hào)電壓（高頻信號(hào)或高速脈沖信號(hào)的電壓），測(cè)量出反射回來(lái)的電壓變化，然后通過(guò)PC計(jì)算并輸出特性阻抗值Z0來(lái)。

計(jì)算公式：Z0 =Z參V線/（V參-V線）

5.3、AOI對(duì)特性阻抗值的控制

5.4、由于導(dǎo)線制造的完整性（尺寸偏差）在特性阻抗值的控制中的重要性，越來(lái)越走向精細(xì)化。采用“目檢”已經(jīng)不能勝任，而隨著AOI的不斷改進(jìn)與完善，采用AOI技術(shù)來(lái)控制精細(xì)導(dǎo)線已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，雖然不能完全取代特性阻抗的測(cè)試，但是，可以提高PCB的生產(chǎn)率（合格率），進(jìn)一步達(dá)到控制特性阻抗值的目的。