With the increasing speed of PCB signal switching, today’s PCB designers need to understand and control the impedance of PCB traces. Corresponding to the shorter signal transmission times and higher clock rates of modern digital circuits, PCB traces are no longer simple connections, but transmission lines.

So steuern Sie die Leiterplattenimpedanz

In practice, it is necessary to control trace impedance when digital marginal speed exceeds 1ns or analog frequency exceeds 300Mhz. One of the key parameters of a PCB trace is its characteristic impedance (the ratio of voltage to current as the wave travels along the signal transmission line). Die charakteristische Impedanz von Drähten auf gedruckten Leiterplatten ist ein wichtiger Index für das Leiterplattendesign, insbesondere beim PCB-Design von Hochfrequenzschaltungen. This involves two concepts: impedance control and impedance matching. This paper focuses on impedance control and lamination design.

Impedanzregelung

EImpedance Controling, the conductor in the circuit board will have all kinds of signal transmission, in order to improve the transmission rate and must increase its frequency, if the line itself due to etching, stacking thickness, wire width and other different factors, will cause impedance value change, the signal distortion. Therefore, the impedance value of the conductor on the high-speed circuit board should be controlled within a certain range, known as “impedance control”.

The impedance of a PCB trace will be determined by its inductive and capacitive inductance, resistance, and conductivity coefficient. The main factors affecting the impedance of PCB wiring are: the width of copper wire, the thickness of copper wire, the dielectric constant of medium, the thickness of medium, the thickness of pad, the path of ground wire, the wiring around the wiring, etc. Die Leiterplattenimpedanz reicht von 25 bis 120 Ohm.

In practice, a PCB transmission line usually consists of a trace, one or more reference layers, and insulation materials. Traces and layers form the control impedance. PCBS werden oft mehrschichtig sein, und die Steuerimpedanz kann auf verschiedene Weise konstruiert werden. However, whatever method is used, the impedance value will be determined by its physical structure and the electrical properties of the insulating material:

Width and thickness of signal trace

The height of the core or prefill material on either side of the trace

Konfiguration von Spur und Platte

Insulation constants of core and prefilled materials

PCB-Übertragungsleitungen gibt es in zwei Hauptformen: Microstrip und Stripline.

Microstrip:

Eine Mikrostreifenleitung ist ein Streifenleiter mit einer Bezugsebene auf nur einer Seite, wobei die Oberseite und die Seiten der Luft ausgesetzt (oder beschichtet) sind, über der Oberfläche der Leiterplatte mit der Isolationskonstanten Er, mit der Stromversorgung oder Erdung als Referenz. Wie nachfolgend dargestellt:

Note: In actual PCB manufacturing, the board manufacturer usually coats the surface of the PCB with a layer of green oil, so in actual impedance calculation, the model shown below is usually used for surface microstrip line calculation:

Stripline:

A ribbon line is a ribbon of wire placed between two reference planes, as shown in the figure below. The dielectric constants of the dielectric represented by H1 and H2 can be different.

The above two examples are only a typical demonstration of microstrip lines and ribbon lines. There are many kinds of specific microstrip lines and ribbon lines, such as coated microstrip lines, which are related to the specific laminated structure of PCB.

The equations used to calculate the characteristic impedances require complex mathematical calculations, usually using field solving methods, including boundary element analysis, so using the specialized impedance calculation software SI9000, all we need to do is control the parameters of the characteristic impedances:

Dielectric constant Er, wiring width W1, W2 (trapezoid), wiring thickness T and insulation layer thickness H.

W1, W2:

The calculated value must be within the red box. Und so weiter.

SI9000 is used to calculate whether the impedance control requirements are met:

First calculate the single-end impedance control of DDR data line:

TOP layer: 0.5oz copper thickness, 5MIL wire width, 3.8mil distance from the reference plane, dielectric constant 4.2. Select the model, substitute in the parameters, and select Lossless Calculation, as shown in the figure:

BESCHICHTUNG bedeutet Beschichtung, und wenn keine Beschichtung vorhanden ist, geben Sie 0 in Dicke und 1 in Dielektrikum (Dielektrizitätskonstante) (Luft) ein.

Substrat steht für Substratschicht, dh dielektrische Schicht, im Allgemeinen unter Verwendung von fr-4, Dicke berechnet durch Impedanzberechnungssoftware, Dielektrizitätskonstante 4.2 (Frequenz weniger als 1 GHz).

Click on Weight (oz) to set the thickness of the copper layer, which determines the thickness of the cable.

9. Prepreg/Core concept of insulation layer:

PP (Prepreg) ist eine Art dielektrisches Material, das aus Glasfaser und Epoxidharz besteht. Der Kern ist eigentlich ein TYP von PP-Medium, aber seine beiden Seiten sind mit Kupferfolie bedeckt, während PP es nicht ist. Bei der Herstellung von Mehrschichtplatten werden Kern und PP normalerweise zusammen verwendet, und PP wird verwendet, um zwischen Kern und Kern zu kleben.

10. Angelegenheiten, die beim PCB-Laminierungsdesign beachtet werden müssen

(1) Verzugsproblem

The layer design of PCB should be symmetrical, that is, the thickness of medium layer and copper layer of each layer should be symmetrical. Take six layers for example, the thickness of top-GND and bottom-power medium should be consistent with the thickness of copper, AND that of GND-L2 and L3-POWER medium should be consistent with the thickness of copper. Diese verzieht sich beim Laminieren nicht.

(2) Die Signalschicht sollte fest mit der angrenzenden Referenzebene gekoppelt sein (d. h. die mittlere Dicke zwischen der Signalschicht und der angrenzenden Kupferbeschichtungsschicht sollte sehr gering sein); Power-Kupfer-Dressing und Erd-Kupfer-Dressing sollten eng gekoppelt sein.

(3) Bei sehr hoher Geschwindigkeit können zusätzliche Schichten hinzugefügt werden, um die Signalschicht zu isolieren, es wird jedoch empfohlen, nicht mehrere Leistungsschichten zu isolieren, da dies unnötige Rauschstörungen verursachen kann.

(4) Die Verteilung typischer laminierter Designschichten ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

(5) Allgemeine Prinzipien der Schichtanordnung:

Unter der Komponentenoberfläche (der zweiten Schicht) befindet sich die Masseebene, die die Abschirmungsschicht des Geräts und die Referenzebene für die Verdrahtung der obersten Schicht bereitstellt;

Alle Signalschichten grenzen so weit wie möglich an die Masseebene an.

Vermeiden Sie nach Möglichkeit eine direkte Nachbarschaft zwischen zwei Signalschichten;

Die Hauptstromversorgung sollte möglichst benachbart sein;

Symmetrie der Laminatstruktur wird berücksichtigt.

For the layer layout of the motherboard, it is difficult for the existing motherboard to control the parallel long-distance wiring, and the working frequency of the board level is above 50MHZ

(Bei Bedingungen unter 50 MHz bitte darauf zurückgreifen und entsprechend entspannen), das Layout-Prinzip wird vorgeschlagen:

Bauteiloberfläche und Schweißoberfläche sind komplette Massefläche (Schirm);

Keine benachbarte parallele Verdrahtungsschicht;

Alle Signalschichten grenzen so weit wie möglich an die Masseebene an.

Das Schlüsselsignal befindet sich neben der Formation und durchquert nicht die Segmentierungszone.