PCB的阻抗控制要点Word下载.docx
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下面是一个典型的6层板叠层结构:
PCB的参数:
不同的印制板厂,PCB的参数会有细微的差异,通过与上海嘉捷通电路板厂技术支持的沟通,得到该厂的一些参数数据:
表层铜箔:
可以使用的表层铜箔材料厚度有三种:
12um、18um和35um。
加工完成后的最终厚度大约是44um、50um和67um。
芯板:
我们常用的板材是S1141A,标准的FR-4,两面包铜,可选用的规格可与厂家联系确定。
半固化片:
规格(原始厚度)有7628(0.185mm),2116(0.105mm),1080(0.075mm),3313(0.095mm),实际压制完成后的厚度通常会比原始值小10-15um左右。
同一个浸润层最多可以使用3个半固化片,而且3个半固化片的厚度不能都相同,最少可以只用一个半固化片,但有的厂家要求必须至少使用两个。
如果半固化片的厚度不够,可以把芯板两面的铜箔蚀刻掉,再在两面用半固化片粘连,这样可以实现较厚的浸润层。
阻焊层:
铜箔上面的阻焊层厚度C2≈8-10um,表面无铜箔区域的阻焊层厚度C1根据表面铜厚的不同而不同,当表面铜厚为45um时C1≈13-15um,当表面铜厚为70um时C1≈17-18um。
导线横截面:
以前我一直以为导线的横截面是一个矩形,但实际上却是一个梯形。
以TOP层为例,当铜箔厚度为1OZ时,梯形的上底边比下底边短1MIL。
比如线宽5MIL,那么其上底边约4MIL,下底边5MIL。
上下底边的差异和铜厚有关,下表是不同情况下梯形上下底的关系。
介电常数:
半固化片的介电常数与厚度有关,下表为不同型号的半固化片厚度和介电常数参数:
板材的介电常数与其所用的树脂材料有关,FR4板材其介电常数为4.2—4.7,并且随着频率的增加会减小。
介质损耗因数:
电介质材料在交变电场作用下,由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗,通常以介质损耗因数tanδ表示。
S1141A的典型值为0.015。
能确保加工的最小线宽和线距:
4mil/4mil。
阻抗计算的工具简介:
当我们了解了多层板的结构并掌握了所需要的参数后,就可以通过EDA软件来计算阻抗。
可以使用Allegro来计算,但这里我向大家推荐另一个工具PolarSI9000,这是一个很好的计算特征阻抗的工具,现在很多印制板厂都在用这个软件。
无论是差分线还是单端线,当计算内层信号的特征阻抗时,你会发现PolarSI9000的计算结果与Allegro仅存在着微小的差距,这跟一些细节上的处理有关,比如说导线横截面的形状。
但如果是计算表层信号的特征阻抗,我建议你选择Coated模型,而不是Surface模型,因为这类模型考虑了阻焊层的存在,所以结果会更准确。
下图是用PolarSI9000计算在考虑阻焊层的情况下表层差分线阻抗的部分截图:
由于阻焊层的厚度不易控制,所以也可以根据板厂的建议,使用一个近似的办法:
在Surface模型计算的结果上减去一个特定的值,我建议差分阻抗减去8欧姆,单端阻抗减去2欧姆
PCB阻抗控制
随着PCB信号切换速度不断增长,当今的PCB设计厂商需要理解和控制PCB迹线的阻抗。
相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率,PCB迹线不再是简单的连接,而是传输线。
在实际情况中,需要在数字边际速度高于1ns或模拟频率超过300Mhz时控制迹线阻抗。
PCB迹线的关键参数之一是其特性阻抗(即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值)。
印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标,特别是在高频电路的PCB设计中,必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致,是否匹配。
这就涉及到两个概念:
阻抗控制与阻抗匹配,本文重点讨论阻抗控制和叠层设计的问题。
阻抗控制
阻抗控制(eImpedanceControling),线路板中的导体中会有各种信号的传递,为提高其传输速率而必须提高其频率,线路本身若因蚀刻,叠层厚度,导线宽度等不同因素,将会造成阻抗值得变化,使其信号失真。
故在高速线路板上的导体,其阻抗值应控制在某一范围之内,称为“阻抗控制”。
PCB迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定。
影响PCB走线的阻抗的因素主要有:
铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。
PCB阻抗的范围是25至120欧姆。
在实际情况下,PCB传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。
迹线和板层构成了控制阻抗。
PCB将常常采用多层结构,并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。
但是,无论使用什么方式,阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定:
∙
信号迹线的宽度和厚度
迹线两侧的内核或预填材质的高度
迹线和板层的配置
内核和预填材质的绝缘常数
PCB传输线主要有两种形式:
微带线(Microstrip)与带状线(Stripline)。
微带线(Microstrip):
微带线是一根带状导线,指只有一边存在参考平面的传输线,顶部和侧边都曝置于空气中(也可上敷涂覆层),位于绝缘常数Er线路板的表面之上,以电源或接地层为参考。
如下图所示:
注意:
在实际的PCB制造中,板厂通常会在PCB板的表面涂覆一层绿油,因此在实际的阻抗计算中,通常对于表面微带线采用下图所示的模型进行计算:
带状线(Stripline):
带状线是置于两个参考平面之间的带状导线,如下图所示,H1和H2代表的电介质的介电常数可以不同。
上述两个例子只是微带线和带状线的一个典型示范,具体的微带线和带状线有很多种,如覆膜微带线等,都是跟具体的PCB的叠层结构相关。
用于计算特性阻抗的等式需要复杂的数学计算,通常使用场求解方法,其中包括边界元素分析在内,因此使用专门的阻抗计算软件SI9000,我们所需做的就是控制特性阻抗的参数:
绝缘层的介电常数Er、走线宽度W1、W2(梯形)、走线厚度T和绝缘层厚度H。
对于W1、W2的说明:
此处的W=W1,W1=W2.
规则:
W1=W-A
W—-设计线宽
A—–Etchloss(见上表)
走线上下宽度不一致的原因是:
PCB板制造过程中是从上到下而腐蚀,因此腐蚀出来的线呈梯形。
走线厚度T与该层的铜厚有对应关系,具体如下:
铜厚
COPPERTHICKNESS
Basecopperthk
Forinnerlayer
Forouterlayer
HOZ
0.6mil
1.8mil
1OZ
1.2MIL
2.5MIL
2OZ
2.4MIL
3.6MIL
绿油厚度:
*因绿油厚度对阻抗影响较小,故假定为定值0.5mil。
我们可以通过控制这几个参数来达到阻抗控制的目的,下面以安维的底板PCB为例说明阻抗控制的步骤和SI9000的使用:
底板PCB的叠层为下图所示:
第二层为地平面,第五层为电源平面,其余各层为信号层。
各层的层厚如下表所示:
LayerName
Type
Material
Thinkness
Class
SURFACE
AIR
TOP
CONDUCTOR
COPPER
0.5OZ
ROUTING
DIELECTRIC
FR-4
3.800MIL
L2-INNER
1OZ
PLANE
5.910MIL
L3-INNER
33.O8MIL
L4-INNER
L5-INNER
BOTTOM
说明:
中间各层间的电介质为FR-4,其介电常数为4.2;
顶层和底层为裸层,直接与空气接触,空气的介电常数为1。
需要进行阻抗控制的信号为:
DDR的数据线,单端阻抗为50欧姆,走线层为TOP和L2、L3层,走线宽度为5mil。
时钟信号CLK和USB数据线,差分阻抗控制在100欧姆,走线层为L2、L3层,走线宽度为6mil,走线间距为6mil。
对于计算精度的说明:
1、对于单端阻抗控制,计算值等于客户要求值;
2、对于其他特性阻抗控制:
对于其它所有的阻抗设计(包括差别和特性阻抗)
*计算值与名义值差别应小于的阻抗范围的10%:
例如:
客户要求:
60+/-10%ohm
阻抗范围=上限66-下限54=12ohms
阻抗范围的10%=12X10%=1.2ohms
计算值必须在红框范围内。
其余情况类推。
下面利用SI9000计算是否达到阻抗控制的要求:
首先计算DDR数据线的单端阻抗控制:
TOP层:
铜厚为0.5OZ,走线宽度为5MIL,距参考平面的距离为3.8MIL,介电常数为4.2。
选择模型,代入参数,选择losslesscalculation,如图所示:
计算得到单端阻抗为Zo=55.08oh
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