文/蔣修國

編者注：在5G和高速數據傳輸的當前，設計和生產中往往會隱藏著很多問題小魔鬼，只有知其然，才能更好地找到解決之道。

不管是高速電路、高頻電路還是毫米波，只要是電子產品基本都需要使用到PCB。PCB板的加工是一個非常復雜的系統工程，涉及到各個方面的問題，比如PCB材料、藥水、加工工藝等等。在這個過程中會有很多因素對傳輸線的阻抗造成影響，比如PCB材料所涉及的銅箔厚度、介質厚度、介電常數、介質損耗角的影響，加工中涉及到的蝕刻因子（Etch），蝕刻藥水的特性、加工穩定性等等。本文將從仿真的角度分析其中幾個影響因子對阻抗的影響，當我們分析阻抗問題的時候可以多個思路。

1、傳輸線的線寬

在以前的文章中介紹了很多關于線寬影響信號完整性的內容，我們知道線寬會直接影響到傳輸線的阻抗和損耗。大多數優秀工程師都會在給PCB生產商出Gerber時規定好線寬調整的范圍，比如當線寬設計為6.2時，其阻抗為50ohm：

如果PCB在生產過程中工藝不穩定，導致線寬變化。依據與很多數廠商合作過的經驗看來，傳輸線線寬的變化會在10%左右，所以把線寬變化的類型設置為Gauss分布，std設置為10%，進行統計學分析，在ADS CILD中仿真分析結果如下：

從結果上分析，阻抗最低會達到46ohm，而最高達到了58ohm；如果是在一段很長的傳輸線上，出現極端的狀態是會存在的，那這時就會導致回波損耗比較大，同樣插入損耗也有所增加。

2、銅箔/鍍銅厚度

在PCB產品中，銅厚分為基銅厚度和鍍銅厚度，基銅一般會比較均勻（這是相對的，其實也并不是完全均勻的），而鍍銅的均勻性會隨著工廠穩定性不同而不同，有的相差還比較大。鍍銅厚度不同，同樣會導致傳輸線阻抗和損耗的變化。把鍍銅的變化范圍假定為10%，在ADS CILD中進行統計分析，結果如下：

從結果分析來看，阻抗主要在49.5到51ohm之間變化。相對于線寬而言，變化區間會小不少。

3、介質的厚度

在PCB生產中，介質厚度變化的主要來源是原材料和生產過程中的壓合以及填膠。如果介質厚度變化，會造成阻抗的變化，以及損耗的變化，嚴重的情況會導致傳輸線很大的損耗。

從結果上分析，阻抗變化分布在44ohm到54ohm之間。阻抗變化的范圍達到了10ohm之多。

4、蝕刻因子

由于導體都是有一定厚度的，所以在生產中導致蝕刻出來的導線并不是一個標準的“矩形”結構，而是一個接近于“梯形”的結構（其實真實的狀況也并不是完全的梯形結構），如下圖所示為導體的一個示意圖：

這個梯形的角度會隨著銅厚的變化而變化（鍍銅亦是如此），厚度越薄，角度越接近90°。這個角度的大小會影響到阻抗的大小。如下圖所示為90°與70°結果的對比：

當角度為70°時，阻抗約為50ohm；當角度為90°時，阻抗約為48.37ohm。

以上都是在單個因素變化下做的實驗，而在生產過程中，并不是單一變量的變化，可能會同時發生。如果同時發生，那么其統計結果如下圖所示：

從結果中可以看到阻抗主要在40ohm到56ohm之間變化，這個已經遠遠超過了一般50±10%的要求。而在整個生產過程中還不止這些參數的變化會導致阻抗的變化。所以對于高速高頻電路的產品，或者是高端產品，整個PCB設計和生產過程中都要嚴格控制好每一種物料以及每一個環節，否則就會導致產品出現一些意想不到的問題。