Com controlar PCB impedància?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. Els senyals habituals, com ara bus PCI, bus PCI-E, USB, Ethernet, memòria DDR, senyal LVDS, etc., necessiten un control d’impedància. El control d’impedància en última instància s’ha de realitzar mitjançant el disseny de PCB, que també proposa requisits més alts per a la tecnologia de taulers PCB. Després de la comunicació amb la fàbrica de PCB i combinada amb l’ús del programari EDA, la impedància del cablejat es controla segons els requisits d’integritat del senyal.

Es poden calcular diferents mètodes de cablejat per obtenir el valor d’impedància corresponent.

Microstrip lines

• Consisteix en una tira de filferro amb el pla de terra i dielèctric al mig. Si la constant dielèctrica, l’amplada de la línia i la seva distància al pla terrestre són controlables, llavors la seva impedància característica és controlable i la precisió serà del ± 5%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Línia de ratlla

Una línia de cinta és una tira de coure al mig del dielèctric entre dos plans conductors. Si el gruix i l’amplada de la línia, la constant dielèctrica del medi i la distància entre els plans terrestres de les dues capes són controlables, la impedància característica de la línia és controlable i la precisió és del 10%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The structure of multi-layer board:

Per controlar bé la impedància del PCB, cal entendre l’estructura del PCB:

Normalment, el que anomenem tauler multicapa està format per placa de nucli i xapa semi-solidificada laminada entre si. El tauler bàsic és una placa de coure de pa de gruix específic i dur, que és el material bàsic del tauler imprès. And the semi-cured piece constitutes the so-called infiltration layer, plays the role of bonding the core plate, although there is a certain initial thickness, but in the process of pressing its thickness will occur some changes.

Normalment, les dues capes dielèctriques més externes d’una capa múltiple són capes mullades i s’utilitzen capes separades de làmina de coure a l’exterior d’aquestes dues capes com a làmina de coure exterior. L’especificació original del gruix de la làmina de coure exterior i de la làmina de coure interior és generalment de 0.5 oz, 1 oz, 2 oz (1 oz és d’aproximadament 35um o 1.4mil), però després d’una sèrie de tractaments superficials, el gruix final de la làmina de coure exterior generalment augmentarà aproximadament 1 oz. La làmina de coure interior és la coberta de coure a banda i banda de la placa central. El gruix final difereix poc del gruix original, però generalment es redueix en diversos um a causa del gravat.

The outermost layer of the multilayer board is the welding resistance layer, which is what we often say “green oil”, of course, it can also be yellow or other colors. The thickness of the solder resistance layer is generally not easy to determine accurately. The area without copper foil on the surface is slightly thicker than the area with copper foil, but because of the lack of copper foil thickness, so the copper foil is still more prominent, when we touch the printed board surface with our fingers can feel.

Quan es fa un gruix concret del tauler imprès, per una banda, es requereix una elecció raonable dels paràmetres del material; per altra banda, el gruix final de la làmina semicurada serà menor que el gruix inicial. La següent és una estructura laminada típica de 6 capes:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

PCB parameters:

Different PCB plants have slight differences in PCB parameters. Through communication with circuit board plant technical support, we obtained some parameter data of the plant:

Làmina de coure superficial:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. El gruix final després d’acabar és d’uns 44um, 50um i 67um.

Placa central: S1141A, FR-4 estàndard, s’utilitzen normalment dues plaques de coure arrebossades. Les especificacions opcionals es poden determinar contactant amb el fabricant.

Semi-cured tablet:

Les especificacions (gruix original) són 7628 (0.185 mm), 2116 (0.105 mm), 1080 (0.075 mm), 3313 (0.095 mm). El gruix real després del premsat sol ser d’uns 10-15um menys que el valor original. Es poden utilitzar un màxim de 3 comprimits semicurats per a la mateixa capa d’infiltració i el gruix de 3 comprimits semicurats no pot ser el mateix, es poden utilitzar com a mínim una pastilla mig curada, però alguns fabricants n’han d’utilitzar almenys dos . Si el gruix de la peça semicurada no és suficient, es pot gravar la làmina de coure a banda i banda de la placa central i, a continuació, la peça semicurada es pot unir a banda i banda, de manera que es pugui obtenir una capa d’infiltració més gruixuda aconseguit.

Capa de soldadura per resistència:

El gruix de la capa de resistència a la soldadura de la làmina de coure és C2≈8-10um. El gruix de la capa de resistència de soldadura a la superfície sense làmina de coure és C1, que varia amb el gruix del coure a la superfície. Quan el gruix del coure a la superfície és de 45um, C1≈13-15um, i quan el gruix del coure a la superfície és de 70um, C1≈17-18um.

Secció transversal:

Pensaríem que la secció d’un filferro és un rectangle, però en realitat és un trapezoide. Prenent com a exemple la capa TOP, quan el gruix de la làmina de coure és 1 OZ, la vora inferior inferior del trapezi és 1 MIL més curta que la vora inferior inferior. Per exemple, si l’amplada de la línia és de 5MIL, els costats inferior i superior són aproximadament de 4MIL i els costats inferior i inferior són d’uns 5MIL. La diferència entre les vores superior i inferior està relacionada amb el gruix del coure. La taula següent mostra la relació entre la part superior i la inferior del trapezi en diferents condicions.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Permitivitat: la permitivitat de les làmines semicurades està relacionada amb el gruix. La taula següent mostra els paràmetres de gruix i permitivitat de diferents tipus de làmines semicurades:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

La constant dielèctrica de la placa està relacionada amb el material de resina utilitzat. La constant dielèctrica de la placa FR4 és de 4.2 a 4.7 i disminueix amb l’augment de freqüència.

Factor de pèrdua dielèctrica: els materials dielèctrics sota l’acció d’un camp elèctric altern, a causa del consum de calor i energia, s’anomenen pèrdues dielèctriques, generalment expressades pel factor de pèrdua dielèctrica Tan δ. El valor típic de S1141A és 0.015.

Amplada mínima i espaiat entre línies per garantir el mecanitzat: 4mil / 4mil.

Introducció de l’eina de càlcul d’impedància:

Quan entenem l’estructura de la placa multicapa i dominem els paràmetres necessaris, podem calcular la impedància a través del programari EDA. Podeu fer servir Allegro per fer-ho, però us recomano Polar SI9000, que és una bona eina per calcular la impedància característica i que ara utilitzen moltes fàbriques de PCB.

En calcular la impedància característica del senyal interior tant de la línia diferencial com de la línia terminal única, només trobareu una lleugera diferència entre Polar SI9000 i Allegro a causa d’alguns detalls, com ara la forma de la secció transversal del cable. Tanmateix, si es vol calcular la impedància característica del senyal de superfície, us suggereixo que trieu el model recobert en lloc del model de superfície, perquè aquests models tenen en compte l’existència de capa de resistència de soldadura, de manera que els resultats seran més precisos. A continuació es mostra una captura de pantalla parcial de la impedància de la línia diferencial de superfície calculada amb Polar SI9000 tenint en compte la capa de resistència de soldadura:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Com que el gruix de la capa de resistència de soldadura no es controla fàcilment, també es pot utilitzar un enfocament aproximat, tal com recomana el fabricant de la placa: restar un valor específic del càlcul del model de superfície. Es recomana que la impedància diferencial sigui de menys de 8 ohms i la impedància d’un extrem sigui de menys de 2 ohms.

Requisits diferencials de PCB per al cablejat

(1) Determineu el mode de cablejat, els paràmetres i el càlcul de la impedància. Hi ha dos tipus de modes de diferència per a l’encaminament de línia: el mode de diferència de línia de microstrip de capa externa i el mode de diferència de línia de strip strip de capa interna. La impedància es pot calcular mitjançant un programari de càlcul d’impedància relacionat (com ara POLAR-SI9000) o una fórmula de càlcul d’impedància mitjançant un paràmetre raonable.

(2) Línies isomètriques paral·leles. Determineu l’amplada i l’espaiat de la línia i seguiu estrictament l’amplada i l’espaiat de la línia calculats quan s’encamina. L’espaiat entre dues línies ha de romandre sempre sense canvis, és a dir, per mantenir-se paral·lel. There are two ways of parallelism: one is that the two lines walk in the same side-by-side layer, and the other is that the two lines walk in the over-under layer. En general, intenteu evitar l’ús del senyal de diferència entre les capes, és a dir, en el procés real de PCB en el procés, a causa de la precisió d’alineació laminada en cascada, és molt inferior a la proporcionada entre la precisió de gravat i en el procés de pèrdua dielèctrica laminada, no es pot garantir que l’interlineat de la diferència sigui igual al gruix del dielèctric entre capes, provocarà el canvi entre les capes de la diferència d’impedància. Es recomana utilitzar la diferència dins de la mateixa capa tant com sigui possible.