信號傳輸用單晶圓銅線及其線坯

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題，而且是作為“傳輸線”的作用。也就是說，對于高頻信號或高速數(shù)字信號的傳輸用的PCB之電氣測試，不僅要測試線路的“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、信號傳輸線的提出

1.1 信號傳輸線的定義

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)信號在PCB導(dǎo)線中傳輸時，若導(dǎo)線的長度接近信號波長的1/7，此時的導(dǎo)線便成為信號傳輸線”了。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，導(dǎo)線的長度接近波長的1/10時，應(yīng)按信號傳輸線處理。顯然，后者更嚴(yán)格（顯得‘過分’），但大多數(shù)人認(rèn)定為前者。

大家知道，電流通過導(dǎo)體時，會受到一個“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 信號傳輸線的判斷

元件有很高頻率信號傳輸，但經(jīng)過導(dǎo)線傳輸后，頻率下降（時間延遲）了，導(dǎo)線越長，時間延長越厲害，當(dāng)導(dǎo)線的長度接近于波長時，或信號速度（頻率）提高到某一范圍時，傳輸?shù)男盘柋銜霈F(xiàn)明顯的“失真”。

⑴高頻信號的傳輸。

假設(shè)：（一）元件的信號傳輸頻率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）元件的信號傳輸頻率f=1GHZ，導(dǎo)線的長度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脈沖信號的傳輸。在數(shù)字電路中從“0”到“1”的上升時間tr是很短的.但可用下面公式來計算頻率fmax：

fmax=0.35/tr

假設(shè)：元件的上升時間tr是=2ns，則

fmax=0.35/tr=175 MHZ

L= C/ fmax*7=24.5 cm

當(dāng)導(dǎo)線長度≥24.5 cm時，應(yīng)作為信號傳輸線處理。

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，在線路中產(chǎn)生的信號“反射”，會“抵消”正在傳輸信號。λ/L比率越小，“反射”越嚴(yán)重，則會產(chǎn)生如下問題：

①信號（或能量）傳輸效率明顯下降；

②由于反復(fù)干擾（抵消）信號傳輸，將隨著頻率增加而嚴(yán)重化；

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

1.3、信號普通線與信號傳輸線的差別

信號普通線與信號傳輸線的差別主要有三個方面：

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

⑵信號普通線，由于信號傳輸速度慢，“反射”信號不會抵消后面?zhèn)鬏數(shù)男盘?。因此，?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信號普通線，不要求特性阻抗值控制，只要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測試。而信號傳輸線要求特性阻抗值控制，即除了要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測試外，還必須有特性阻抗值控制的測試。

2、PCB中特性阻抗值Z0的設(shè)計

2.1、Z0的的結(jié)構(gòu)類型與計算方法

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較大的場合)。

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

帶狀線（適合Z0較小的場合）。

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)與計算方法

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

2.3、特性阻抗值Z0的一般設(shè)計規(guī)則

⑴選用合適的基板（CCL）材料和PCB結(jié)構(gòu)，確定信號傳輸線的長度等以確定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、PCB制造過程的偏差與控制和PCB設(shè)計的因素等帶來在PCB中特性阻抗值Z0偏差的補(bǔ)救與修正的措施和辦法。

3、信號傳輸線的布設(shè)

3.1信號傳輸線的長度越短越好

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

如何使信號線布設(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、盤內(nèi)孔（hole in pad）、疊孔和HDI/BUM等結(jié)構(gòu)來縮短走線。

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的干擾，提高傳輸信號的完整性，這是PCB設(shè)計者所熟悉的。但是，不同差分傳輸線減小干擾信號的程度是不同的。為了減小對傳輸信號的“共?！备蓴_，采用的差分傳輸線，主要應(yīng)做到如下四個 ：

（一）形狀和長度相同，做到“共?！惫战牵床灰剐螤詈烷L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形成雙絞差分傳輸線是目前最有效地降低干擾信號的方法。

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沒有偏位（移）雙絞差分傳輸線?？色@得較好的降低信號干擾。

4、特性阻抗值Z0對基板（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）信號傳輸線的寬度W；

（四）信號傳輸線的厚度。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對特性阻抗值Z0的影響

⑴介電常數(shù)εr影響著信號的傳輸速度。

信號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，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，其樹脂含量是不同的，因此，其介電常數(shù)εr值是不一樣的。對于嚴(yán)格控制特性阻抗值Z0來說，PCB設(shè)計和制造都應(yīng)該了解和加以計算，才能獲得更精準(zhǔn)的控制與結(jié)果。

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

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值變動的大小影響大，應(yīng)加以認(rèn)真控制。

4.2、介質(zhì)厚度對特性阻抗值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Z0值的影響是最小的。

4.4、導(dǎo)線寬度對特性阻抗值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計算與實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)線寬度W對特性阻抗值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）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，或變動不大；

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

③導(dǎo)線較長又是用來傳輸信號的，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的測試

5.1、特性阻抗的測試樣板

特性阻抗的測試樣板可按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、特性阻抗的測試儀

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

特性阻抗的測試原理是由時域反射計（TDR）向印制板發(fā)射出一個信號電壓（高頻信號或高速脈沖信號的電壓），測量出反射回來的電壓變化，然后通過PC計算并輸出特性阻抗值Z0來。

計算公式：Z0 =Z參V線/（V參-V線）

5.3、AOI對特性阻抗值的控制

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。

前言：

傳輸視頻信號的線纜有哪些？他們的應(yīng)用有哪些？他們傳輸?shù)木嚯x有多遠(yuǎn)？在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該怎么選擇？

正文：

一、視頻信號接口

監(jiān)控視頻線種類介紹：

按照材料區(qū)分有SYV及SYWV兩種，絕緣層的物理材料結(jié)構(gòu)不同，SYV是實(shí)心聚乙烯電纜，SYWV是高物理發(fā)泡電纜，物理發(fā)泡電纜傳輸性能優(yōu)于聚乙烯。

S--同軸電纜 Y--聚乙烯 V--聚氯乙烯 W--穩(wěn)定聚乙烯

按照阻抗可分為SYV 50-XX SYV 75-XXSYV-100 XX XX代表絕緣層外徑。

1.復(fù)合視頻信號：一般接頭為BNC、RCA（蓮花頭）

75代表抗阻性,后面的3和5代表它的絕緣外徑(3mm/5mm)。

SYV中S---同軸射頻電纜,Y---聚乙烯,V---聚氯乙烯.

SYV75-3傳輸在200米之內(nèi)效果好.

SYV75-5傳輸在500米內(nèi)效果更好.

視頻線分

75-3(約200米) 傳輸距離

75-5(約500米) 傳輸距離

75-7(約500--800米) 傳速距離

75-9(約1000---1500米) 傳速距離

75-12(約2000----3500米) 傳速距離

2.S-端子(或稱 Y/C)

它的學(xué)名叫做“二分量視頻接口”，俗稱S端子

傳輸距離短 15米

S-Video連接規(guī)格是由日本人開發(fā)的一種規(guī)格，S指的是“SEPARATE（分離）”，它將亮度和色度分離輸出，避免了混合視訊訊號輸出時亮度和色度的相互干擾。S接口實(shí)際上是一種五芯接口，由兩路視亮度信號、兩路視頻色度信號和一路公共屏蔽地線共五條芯線組成。

同AV接口相比，由于它不再進(jìn)行Y/C混合傳輸，因此也就無需再進(jìn)行亮色分離和解碼工作，而且使用各自獨(dú)立的傳輸通道在很大程度上避免了視頻設(shè)備內(nèi)信號串?dāng)_而產(chǎn)生的圖像失真，極大地提高了圖像的清晰度。但S-Video仍要將兩路色差信號(Cr Cb)混合為一路色度信號C，進(jìn)行傳輸然后再在顯示設(shè)備內(nèi)解碼為Cb和Cr進(jìn)行處理，這樣多少仍會帶來一定信號損失而產(chǎn)生失真(這種失真很小但在嚴(yán)格的廣播級視頻設(shè)備下進(jìn)行測試時仍能發(fā)現(xiàn))。而且由于Cr Cb的混合導(dǎo)致色度信號的帶寬也有一定的限制，所以S-Video雖然已經(jīng)比較優(yōu)秀，但離完美還相去甚遠(yuǎn)。S-Video雖不是最好的，但考慮到目前的市場狀況和綜合成本等其它因素，它還是應(yīng)用最普遍的視頻接口之一。

3. VGA信號

VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS/2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

頻率高

易衰減，傳輸距離短

易受干擾

3+4/6VGA 15-30M

4. 分量視頻（RGBHV 信號）

色差接口是在S接口的基礎(chǔ)上，把色度（C）信號里的藍(lán)色差（b）、紅色差（r）分開發(fā)送，其分辨率可達(dá)到600線以上。它通常采用YPbPr和YCbCr兩種標(biāo)識，前者表示逐行掃描色差輸出，后者表示隔行掃描色差輸出?，F(xiàn)在很多電視類產(chǎn)品都是靠色差輸入來提高輸入訊號品質(zhì)，而且透過色差接口，可以輸入多種等級訊號，從最基本的480i到倍頻掃描的480p，甚至720p、1080i等等，都是要通過色差輸入才有辦法將信號傳送到電視當(dāng)中。

75-2RGB 30-50M

75-3RGB 50-70M

5. DVI

◎DVI-A(Analog，模擬)接口：這種接口實(shí)際上就是VGA接口的變形，以前多用于一些高端CRT顯示器上，不過現(xiàn)在已經(jīng)基本淘汰。我們常說的“假DVI接口”就是指的DVI-A，原因在于它傳輸?shù)囊廊皇悄M信號，而不是體現(xiàn)出DVI技術(shù)優(yōu)勢的數(shù)字信號。

◎DVI-D(Digital，數(shù)字)接口：DVI-D是真正意義上的數(shù)字信號接口，這是它比DVI-A更先進(jìn)的地方；不過DVI-D接口也有不足，那就是用戶使用該接口時無法兼容老式的CRT顯示器，如果碰巧液晶顯示器上也只有D-Sub接口，那用戶就只有干瞪眼的份兒了。

◎DVI-I(Integrated，集成)接口：這是一種集DVI-A和DVI-D大成于一身的混合式接口，它既可以兼容DVI-D又可以兼容DVI-A(通過轉(zhuǎn)接頭還可以轉(zhuǎn)接為D-Sub)，是目前兼容性最好的DVI接口

一般來說，在傳輸1600×1200@60Hz以下的視頻信號時，使用單通道DVI和雙通道DVI沒有明顯的差別。如果你的顯示器可以支持Full HD(1920×1080)或以上的分辨率，就不要選擇單通道的DVI數(shù)據(jù)線了。

DVI-D:只能接收數(shù)字信號

DVI-I:能同時接收數(shù)字信號和模擬信號

傳輸距離短 7-15M

6.HDMI

使用與DVI數(shù)字信號相同的底層協(xié)議，所以還可以通過轉(zhuǎn)接頭與DVI信號實(shí)現(xiàn)互換，兼容DVI信號。比DVI接口更強(qiáng)大的是，HDMI在制定通訊協(xié)議的時候，允許通過HDMI線纜實(shí)現(xiàn)高保真音頻信號的傳輸，無縫化連接減少了連線的麻煩，也讓HDMI具有更廣泛的兼容性。

支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，最遠(yuǎn)可傳輸15米

與DVI相比，HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號，并增加了對HDCP的支持，同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，最遠(yuǎn)可傳輸15米，足以應(yīng)付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。而因?yàn)橐粋€1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需求少于4GB/s，因此HDMI還有很大余量。這允許它可以用一個電纜分別連接DVD播放器，接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的設(shè)備具有“即插即用”的特點(diǎn)，信號源和顯示設(shè)備之間會自動進(jìn)行“協(xié)商”，自動選擇最合適的視頻/音頻格式。

6.SDI

SDI(serial digital interface)是"數(shù)字分量串行接口"。那么HD-SDI就是高清數(shù)字分量串行接口。HD-SDI是實(shí)時無壓縮的高清廣電級攝像機(jī)，是安防監(jiān)控領(lǐng)域的又一科技進(jìn)步，為監(jiān)控中心提供高清晰的圖像來源的設(shè)備。

二、控制信號

常見控制信號，RS232、RS422、RS485、IR、CR-NET(CREATOR控制信號)

ⅰRS232 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps，接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。傳輸距離15米~20米。采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

ⅱRS-422是差模傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，能傳1200米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

ⅲ RS-485最大的通信距離約為1219米，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps ，RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

ⅳ IR紅外（CREATOR中控紅外口）傳輸距離150米。

ⅴ CR-NET(CREATOR控制信號) 傳輸距離800米。