Cumu cuntrollà PCB impedanza?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. Common signals, such as PCI bus, PCI-E bus, USB, Ethernet, DDR memory, LVDS signal, etc., all need impedance control. Impedance control ultimately needs to be realized through PCB design, which also puts forward higher requirements for PCB board technology. After communication with PCB factory and combined with the use of EDA software, the impedance of wiring is controlled according to the requirements of signal integrity.

Diversi metudi di cablaggio ponu esse calculati per uttene u valore di impedanza currispondente.

Microstrip lines

• Si compone di una striscia di filu cù u pianu di terra è di dielettricu à mezu. Se a costante dielettrica, a larghezza di a linea, è a so distanza da u pianu terrenu sò controllabili, allora a so impedenza caratteristica hè controllabile, è a precisione serà in ± 5%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Stripline

Una linea di nastro hè una striscia di ramu à mezu à u dielettricu trà dui piani cunduttori. If the thickness and width of the line, the dielectric constant of the medium, and the distance between the ground planes of the two layers are controllable, the characteristic impedance of the line is controllable, and the accuracy is within 10%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The structure of multi-layer board:

Per cuntrullà bè l’impedenza di PCB, hè necessariu capisce a struttura di PCB:

Di solitu ciò chì chjamemu tavulu multistratu hè cumpostu di piastra di core è di fogliu semi-solidificatu laminatu inseme trà elli. U pannellu core hè un spessore duru è specificu, duie piastre di ramu di pane, chì hè u materiale di basa di u pannellu stampatu. 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.

Usually the outermost two dielectric layers of a multilayer are wetted layers, and separate copper foil layers are used on the outside of these two layers as the outer copper foil. A specificazione di u spessore originale di u fogliu di rame esternu è di u fogliu di rame internu hè generalmente 0.5oz, 1OZ, 2OZ (1OZ hè circa 35um o 1.4mil), ma dopu una serie di trattamentu di superficie, u spessore finale di u fogliu di rame esternu generalmente aumenterà di circa 1OZ. U fogliu di rame internu hè u coperchio di rame da i dui lati di a piastra di core. U spessore finale differisce pocu da u spessore originale, ma hè generalmente riduttu di parechji um per gravure.

U stratu u più esterno di a tavula multistratu hè u stratu di resistenza à a saldatura, chì hè ciò chì spessu dicemu “oliu verde”, benintesa, pò ancu esse giallu o altri culori. 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.

When a particular thickness of the printed board is made, on the one hand, reasonable choice of material parameters is required, on the other hand, the final thickness of the semi-cured sheet will be smaller than the initial thickness. The following is a typical 6-layer laminated structure:

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:

Fogliu di rame di superficia:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. U spessore finale dopu a finitura hè di circa 44um, 50um è 67um.

Core plate: S1141A, standard FR-4, two breaded copper plates are commonly used. The optional specifications can be determined by contacting the manufacturer.

Semi-cured tablet:

I specificazioni (spessore originale) sò 7628 (0.185mm), 2116 (0.105mm), 1080 (0.075mm), 3313 (0.095mm). U spessore propiu dopu a pressatura hè di solitu circa 10-15um menu di u valore originale. Un massimu di 3 compresse semi-guarite pò esse aduprate per u listessu stratu di infiltrazione, è u spessore di 3 compresse semi-guarite ùn pò micca esse uguale, almenu una compressa semi-guarita pò esse aduprata, ma alcuni fabbricanti devenu aduprà almenu dui . If the thickness of the semi-cured piece is not enough, the copper foil on both sides of the core plate can be etched off, and then the semi-cured piece can be bonded on both sides, so that a thicker infiltration layer can be achieved.

Resistance welding layer:

The thickness of the solder resist layer on the copper foil is C2≈8-10um. The thickness of the solder resist layer on the surface without copper foil is C1, which varies with the thickness of copper on the surface. When the thickness of copper on the surface is 45um, C1≈13-15um, and when the thickness of copper on the surface is 70um, C1≈17-18um.

Sezione traversa:

We would think that the cross section of a wire is a rectangle, but it’s actually a trapezoid. Taking the TOP layer as an example, when the thickness of copper foil is 1OZ, the upper bottom edge of trapezoid is 1MIL shorter than the lower bottom edge. Per esempiu, se a larghezza di a linea hè 5MIL, allora i lati superiore è inferiore sò circa 4MIL è i lati inferiore è inferiore sò circa 5MIL. The difference between top and bottom edges is related to copper thickness. The following table shows the relationship between top and bottom of trapezoid under different conditions.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Permittivity: The permittivity of semi-cured sheets is related to thickness. The following table shows the thickness and permittivity parameters of different types of semi-cured sheets:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The dielectric constant of the plate is related to the resin material used. The dielectric constant of FR4 plate is 4.2 — 4.7, and decreases with the increase of frequency.

Fattore di perdita dielettrica: i materiali dielettrici sott’à l’azzione di un campu elettricu in alternanza, per via di u calore è di u cunsumu energeticu hè chjamatu perdita dielettrica, di solitu spressa da u fattore di perdita dielettrica Tan δ. U valore tipicu per S1141A hè 0.015.

Larghezza minima di linea è spaziatura di linea per assicurà l’usinamentu: 4mil / 4mil.

Introduzione di l’uttellu di calculu di impedenza:

When we understand the structure of the multilayer board and master the required parameters, we can calculate the impedance through EDA software. Pudete aduprà Allegro per fà questu, ma ricumandemu Polar SI9000, chì hè un bonu strumentu per calculà l’impedenza caratteristica è hè adupratu avà da parechje fabbriche di PCB.

Quandu si calcula l’impedenza caratteristica di u signale interiore sia di a linea differenziale sia di a linea terminale unica, truverete solu una leggera differenza trà Polar SI9000 è Allegro per via di alcuni dettagli, cum’è a forma di a sezione trasversale di u filu. Tuttavia, se hè per calculà l’impedenza caratteristica di u segnale di Superficie, vi suggeriu di sceglie u mudellu Rivestitu invece di u mudellu di Superficie, perchè tali mudelli tenenu in contu l’esistenza di un stratu di resistenza di saldatura, dunque i risultati saranu più precisi. The following is a partial screenshot of the surface differential line impedance calculated with Polar SI9000 considering the solder resistance layer:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Siccomu u spessore di u stratu di resistenza à saldatura ùn hè micca facilmente cuntrullatu, un approcciu apprussimativu pò ancu esse adupratu, cum’è raccomandatu da u fabbricante di u bordu: sottrae un valore specificu da u calculu di u mudellu Superficie. Hè cunsigliatu chì l’impedenza differenziale sia minus 8 ohm è l’impedenza à una sola estremità sia minus 2 ohm.

Requisiti differenziali di PCB per cablaggio

(1) Determine the wiring mode, parameters and impedance calculation. Ci hè dui tipi di modi di differenza per u routing di linea: modalità di differenza di linea di microstrip di stratu esterno è modalità di differenza di linea di striscia interna. L’impedenza pò esse calculata da un software di calculu di impedenza cunnessu (cum’è POLAR-SI9000) o da una formula di calculu di impedenza per mezu di parametri ragionevuli.

(2) Linee isometriche parallele. Determinate a larghezza è a spaziatura di a linea, è seguitate strettamente a larghezza è a spaziatura di a linea calculata quandu u routing. A spaziatura trà duie linee deve restà sempre invariata, vale à dì per mantene parallella. 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. Generalmente pruvate à evità di aduprà u segnale di differenza trà i strati, vale à dì perchè in a trasfurmazione attuale di PCB in u prucessu, per via di a precisione di allineamentu laminatu in cascata hè assai inferiore à quella prevista trà a precisione di attacco, è in u prucessu di perdita dielettrica laminata, ùn pò micca garantisce a spaziatura di a linea di differenza hè uguale à u spessore di u dielettricu in strati, causerà a differenza trà i strati di a differenza di cambiamentu di impedenza. Hè cunsigliatu di aduprà a differenza in u listessu stratu u più pussibule.