如何控制印制电路板微电阻及特性阻抗精度？
随着电路信号传输高速化的迅速发展，要求PCB 在高速信号传输中保持信号稳定的要求日趋严格；这就要求所使用PCB 的讯号线的微电阻及特性阻抗控制精度化的提高。这种更为严格的精确化控制是对PCB 厂的极大挑战，为此，本文针对如何精确控制印制电路微电阻及特性阻抗方面进行了探讨，希望能对PCB 制造业同行有所帮助。
关 键 词:微电阻、特性阻抗、阻抗控制、阻抗控制精度
一、前言
为了调节延时、满足系统时序设计要求，PCB 蛇形线设计(部分螺旋线设计)是Layout 中经常使用的一类走线方式。一般而言印制导线的电阻可以不予考虑，但是客户对该类长度相对较长的蛇形走线，特别是在地线回路、大电流回路或某些特殊回路中，常常精确地规定了印制导线的允许电阻； 同时，随着电路信号传输高速化的迅速发展，要求PCB 在高速信号传输中保持信号稳定的要求日趋严格，PCB 中作为信号传输线的金属导线不仅要符合“通、断”等电气流通，更要保持其所需要的传输信号完整性、可靠性、精确性等要求。这些设计要求所使用PCB 讯号线的微电阻及特性阻抗控制精度化的提高。这种更为严格的精确化控制是对PCB 厂的极大挑战，为此，本文在简要介绍印制电路微电阻及特性阻抗的基础上，重点针对如何精确控制印制电路微电阻及特性阻抗方面进行探讨，希望能对PCB 制造业同行抛砖引玉。
二、印制电路微电阻及特性阻抗概念简介
印制电路微电阻指印制电路电阻导体对直流电流的阻碍作用，即为平常最为常见的电阻概念，常用符合R 表示，与导体的材料、长度和横截面积有关。可通过简单的欧姆定律R=U/I 进行测量和电阻率公式R=ρ×L/S 计算。在PCB 设计中常以长度相对较长的蛇形走线或螺旋走线设计为载体：
印制电路特性阻抗指印制电路电阻导体对交流电流的阻碍作用，包括起共同阻碍作用的电阻、电感和电容三者的矢量和，一般以符号R0 表示，对于PCB 而言，即以多层板传输线(由讯号线、介质层、接地层共同组成）为载体，表现为多种特性阻抗模块，最常用的分类即为微带线和带状线：
这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻或印制电路微电阻不是一个概念，特性阻抗与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。同时，阻抗与特性阻抗也不是完全相同的概念。但对于印制电路板而言：阻抗是特性阻抗的简称，阻抗即为特性阻抗。
三、印制电路微电阻及特性阻抗精度控制分析
3.1 印制电路微电阻精度控制分析
3.1.1 目前需求
我司某些客户板件印制电路微电阻控制要求已从最开始的≤200、25-200、5-100发展到目前的35-85、40+/-5、1.0-5.0,其控制精度要求逐渐严格。
3.1.2 组成因素分解及分析
对于常见的印制电路线路：
根据电阻公式R=ρ×L/S 进行推算PCB 线路中微电阻控制公式有：
1) R=1.62×10-2×L×25400×2/[T×(W+W1)]＝822.96×L//[T×(W+W1)] 上式中线长单位：inch；T/W 单位：um；
2) R=1.62×10-2×1000×L/[12.7×T×(W+W1)]=16.2×L/[12.7×T×(W+W1)] 上式中线长单位：inch；T/W 单位：mil 。
对于内层线路而言，在T、L 固定的情况，考虑线宽(如棕黑化)对不同设计参数的蛇形线微电阻控制影响：
假设W1-W=A ，对上述公式(2) 进行微分如下：
△R= -(8.1×L/12.7T)×[△W/(W-2A)2]
在不考虑棕化对线路铜厚的影响时，如采取0.5OZ 铜箔T=0.5mil，1.0OZ 铜箔T=1.1mil，2OZ铜箔T＝2.45mil 进行计算，则：
0.5OZ：△R= -1.28L×[△W/(W-2A)2]
1.0OZ：△R= -0.58L×[△W/(W-2A)2]
2.0OZ：△R= -0.26L×[△W/(W-2A)2]
从上式可以看到：
相对于1OZ 以上基铜蚀刻，在同样线宽和线宽公差控制下，≤0.5OZ 基铜的微电阻控制，其蛇形线路长度将更为明显地影响微电阻控制精度。
3.2 印制电路特性阻抗精度控制分析
3.2.1 目前需求
目前特性阻抗控制公差已从±15%、±10%发展到±8%、±5%要求，差动阻抗呈现出低设计值阻抗控制要求、高设计值阻抗控制要求两个方向。
3.2.2 组成因素分解及分析
不少研究表明，印制电路特性阻抗受材料的介电常数、导线宽度及厚度、介质厚度、铜箔厚度、阻抗设计、生产控制、测试方法影响；根据阻抗的结构图、各相关因素的公式及我司实际控制情况初步判断各设计因素的贡献度大小如下：
四、印制电路微电阻及特性阻抗精度控制试验设计
4.1 试验确认、细化各设计参数的设计值
根据我司生产线工艺条件、药水体系，进一步确认、更新、细化各设计参数设计值，如不同生产条件下的线路线宽补偿值、线宽侧蚀量、不同孔铜要求对应的线路铜厚、介质层厚度、不同材料(含半固化片、覆铜板)的介电常数数据库信息。
4.2 印制电路微电阻控制精度提高
按上述经过进一步细化后的参数设计值，试验考究不同安士量、不同线路长度的蛇形线路微电阻控制，如总结试验内层棕黑化流程前后的情况如下：
从上图可以看到，在我司药水体系下，不同长度的蛇形线路微电阻经棕黑化后，其微电阻变化幅度是明显不同的。只要设计参数(对于微电阻而言，主要是线宽补偿和侧蚀量) 设计妥当，各线宽蚀刻时采取按线宽公差?10%控制，同时线路设计时以及线路蚀刻时给棕黑化处理的影响预留一定的微电阻提高的空间，各安士量基铜的微电阻控制公差可完全控制在?5-10%以内，对于线路长度≤250inch的微电阻控制线路可控制在3-5%以内。
为满足高精度控制印制电路微电阻，可建立生产过程控制模式如下：
4.3 印制电路特性阻抗精度提高
4.3.1 单元拼板方向的影响
试验发现不同布线方向对不同线距的阻抗线的侧蚀量有明显影响：
同时，在正常排布的FR4 等玻纤叠层设计上均存在一个树脂较多的区域，在该区域的介电常数(Er) 低于整批材料Er 值(FR4 玻纤Er 约为6、树脂约为3) ；为避免蚀刻线路方向上的差异以及线路与玻纤平行所造成的Er 差异，特性阻抗控制板件采取倾斜布线方式以提高精度控制水平，典型的排版方式可设计有：
4.3.2 特性阻抗线路设计优化
在按4.1 要求细化讯号线特性阻抗设计参数外，由于讯号线特点(如电磁场作用等)，高精度控制的阻抗线路还需关注许多细节优化点。受白荣生“软管浇花”模型讨论阻抗匹配的启发，在线路设计优化方面，对比“水渠输水”与“阻抗控制”模块如下：
关注讯号线线宽补偿的影响：
在其他阻抗设计参数不变的情况下，通过SI6000 列举不同线宽制作精度对阻抗控制的影响：
从上表可以看出，导线宽度的正、负偏差对阻抗控制的影响不同：正偏差影响阻抗相对较小，相同线宽偏差量对差动阻抗影响较大。因此，在特性阻抗控制精度要求高的板件生产中，导线宽度控制可通过适当的线宽补偿保持在正偏差内，并对不同类型阻抗线进行分类补偿。
避免相邻布线面相互平行或重叠的布线设计：
这种平行布线容易发生信号反馈或串扰，产生寄生耦合，干扰阻抗测试，很容易导致阻抗测量超差； 需要在两条平行线间增设一条地线或增大阻抗控制公差保证测量结果。
关注讯号线的线路拐角设计：
存在多个拐角设计的讯号线路设计，其实相当于复杂的滤波器，将使得高速信号丧失某些频率成分； 特别是近乎直角的拐角设计，转弯处导体面积增加，容易形成寄生电容，讯号部分损失；通过优化设计，使得拐角设计成135 °走向，或成圆形、圆弧形，切忌画成90 °或更小角度形状，非常有利于特性阻抗的精度控制提升。
关注测试图形的异常设计：
为平衡介质层厚度及平均分散电流提高电镀镀层的均匀性，通常需要在阻抗线周围增加平衡铜点，但布线周围的平衡铜点过于靠近测试讯号线对其具有干扰作用，理论分析过于靠近的敷铜会降低一点走线的特性阻抗。各种干扰因素将影响传输线的信号完整性(高频阻抗将显得更为严重)，如：非理想的地平面设计导致地平面反弹噪声与开关噪声、讯号线周围走线或铜点干扰产生耦合效应导致串扰；这些干扰因素在高速设计中，甚至引起信号传播延时、时钟偏移与抖动等时序问题。试验发现常见的3W 、20H 、五五规则等设计均对阻抗有不同程度的影响，如下图所示的参考层间不同程度的干扰设计即可明显影响阻抗测量：
4.3.3 生产过程控制的加严把握
特性阻抗控制要求板件的制作很好地体现了从设计到生产过程的全程。除细化、优化各种设计参数外，生产过程控制稳定尤为重要。
线路图形转移与蚀刻：采取平行光曝光并确认好曝光能量；加严控制好杂物，避免讯号线路缺口之类缺陷；蚀刻线路公差的把握等。
多层板的层压：优化设计叠层选择，关注分离板与缓冲垫的选用，努力通过各种措施改善介质层厚度均匀性控制。
电镀：采取电镀均匀性控制良好的生产线制作，优化电镀电流纸的制作，确保提升电镀镀层的均匀性。
测试设备和测试人员差别校正：努力消除测试设备（如设备系统误差）、测试环境（温湿度差异、测试频率差别）、操作人员（探针操作技术不同）及测试方法等对特性阻抗测量的微妙影响。
如对生产过程中讯号线蚀刻状况的关注：对一般要求的阻抗控制讯号线而言，讯号线蚀刻只要保证适度的宽度即可满足阻抗控制要求，但对于高精度控制要求或使用频率高的阻抗控制板件，讯号线的蚀刻状况将明显影响阻抗测量，如下图中的讯号线缺口即可明显影响阻抗测量曲线。
本来设计正常的讯号线由于存在较严重的局部缺口导致特性阻抗测量超差：
