Ohne Impedanzkontrolle wird eine beträchtliche Signalreflexion und Verzerrung verursacht, was zu Designfehlern führt. Gängige Signale wie PCI-Bus, PCI-E-Bus, USB, Ethernet, DDR-Speicher, LVDS-Signal usw. benötigen alle eine Impedanzkontrolle. Die Impedanzkontrolle muss letztendlich durch das PCB-Design realisiert werden, was auch höhere Anforderungen an PCB-Board Technologie. Nach der Kommunikation mit der Leiterplattenfabrik und kombiniert mit der Verwendung der EDA-Software wird die Impedanz der Verdrahtung gemäß den Anforderungen der Signalintegrität gesteuert.

Es können verschiedene Verdrahtungsmethoden berechnet werden, um den entsprechenden Impedanzwert zu erhalten.

Mikrostreifenleitungen

Es besteht aus einem Drahtstreifen mit Massefläche und Dielektrikum in der Mitte. Wenn die Dielektrizitätskonstante, die Breite der Leitung und ihr Abstand von der Masseebene steuerbar sind, dann ist ihre charakteristische Impedanz steuerbar und die Genauigkeit liegt innerhalb von ± 5 %.

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

Streifenleitung

Eine Bandleitung ist ein Kupferstreifen in der Mitte des Dielektrikums zwischen zwei leitenden Ebenen. Wenn die Dicke und Breite der Leitung, die Dielektrizitätskonstante des Mediums und der Abstand zwischen den Masseebenen der beiden Schichten steuerbar sind, ist die charakteristische Impedanz der Leitung steuerbar und die Genauigkeit liegt innerhalb von 10 %.

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

Der Aufbau der Mehrschichtplatine:

Um die PCB-Impedanz gut zu kontrollieren, ist es notwendig, die Struktur der PCB zu verstehen:

Normalerweise besteht das, was wir Mehrschichtplatten nennen, aus einer Kernplatte und einer halbverfestigten Platte, die miteinander laminiert sind. Kernplatine ist eine harte, spezifische Dicke, zwei Brotkupferplatte, die das Grundmaterial der Leiterplatte ist. Und das halbgehärtete Stück bildet die sogenannte Infiltrationsschicht, spielt die Rolle des Klebens der Kernplatte, obwohl es eine bestimmte Anfangsdicke gibt, aber beim Pressen treten einige Änderungen der Dicke auf.

Üblicherweise sind die äußersten zwei dielektrischen Schichten einer Mehrfachschicht benetzte Schichten, und auf der Außenseite dieser beiden Schichten werden separate Kupferfolienschichten als äußere Kupferfolie verwendet. Die ursprüngliche Dickenspezifikation der äußeren Kupferfolie und der inneren Kupferfolie beträgt im Allgemeinen 0.5 Unzen, 1 Unzen, 2 Unzen (1 Unzen entspricht etwa 35 um oder 1.4 mil), aber nach einer Reihe von Oberflächenbehandlungen erhöht sich die endgültige Dicke der äußeren Kupferfolie im Allgemeinen um etwa 1 UNZE. Die innere Kupferfolie ist die Kupferabdeckung auf beiden Seiten der Kernplatte. Die Enddicke weicht wenig von der ursprünglichen Dicke ab, wird aber im Allgemeinen durch Ätzen um einige um reduziert.

Die äußerste Schicht der Multilayer-Platine ist die Schweißwiderstandsschicht, was wir oft als „grünes Öl“ bezeichnen, es kann natürlich auch gelb oder andersfarbig sein. Die Dicke der Lötwiderstandsschicht ist im Allgemeinen nicht leicht genau zu bestimmen. Der Bereich ohne Kupferfolie auf der Oberfläche ist etwas dicker als der Bereich mit Kupferfolie, aber aufgrund der fehlenden Kupferfoliendicke ist die Kupferfolie noch prominenter, wenn wir die Leiterplattenoberfläche mit unseren Fingern ertasten können.

Wenn eine bestimmte Dicke der Leiterplatte hergestellt wird, ist einerseits eine vernünftige Wahl der Materialparameter erforderlich, andererseits wird die Enddicke der halbgehärteten Platte kleiner als die Anfangsdicke sein. Das Folgende ist eine typische 6-schichtige laminierte Struktur:

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

PCB-Parameter:

Verschiedene PCB-Werke weisen geringfügige Unterschiede in den PCB-Parametern auf. Durch die Kommunikation mit dem technischen Support des Leiterplattenwerks haben wir einige Parameterdaten der Anlage erhalten:

Oberfläche Kupferfolie:

Es gibt drei Dicken von Kupferfolie, die verwendet werden können: 12 um, 18 um und 35 um. Die endgültige Dicke nach der Fertigstellung beträgt etwa 44 um, 50 um und 67 um.

Kernplatte: S1141A, Standard FR-4, häufig werden zwei panierte Kupferplatten verwendet. Die optionalen Spezifikationen können durch Kontaktaufnahme mit dem Hersteller ermittelt werden.

Halbgehärtete Tablette:

Spezifikationen (ursprüngliche Dicke) sind 7628 (0.185 mm), 2116 (0.105 mm), 1080 (0.075 mm), 3313 (0.095 mm). Die tatsächliche Dicke nach dem Pressen beträgt normalerweise etwa 10-15 um weniger als der ursprüngliche Wert. Für dieselbe Infiltrationsschicht können maximal 3 halbgehärtete Tabletten verwendet werden, und die Dicke von 3 halbgehärteten Tabletten kann nicht gleich sein, mindestens eine halbgehärtete Tablette kann verwendet werden, aber einige Hersteller müssen mindestens zwei verwenden . Wenn die Dicke des halbgehärteten Teils nicht ausreicht, kann die Kupferfolie auf beiden Seiten der Kernplatte abgeätzt werden und dann kann das halbgehärtete Stück auf beiden Seiten verklebt werden, so dass eine dickere Infiltrationsschicht hergestellt werden kann erreicht.

Widerstandsschweißschicht:

Die Dicke der Lötstopplackschicht auf der Kupferfolie beträgt C2≈8-10 µm. Die Dicke der Lötstopplackschicht auf der Oberfläche ohne Kupferfolie beträgt C1, die mit der Kupferdicke auf der Oberfläche variiert. Wenn die Kupferdicke auf der Oberfläche 45 µm beträgt, C1≈13-15 µm, und wenn die Kupferdicke auf der Oberfläche 70 µm beträgt, C1≈17-18 µm.

Querabschnitt:

Wir würden denken, dass der Querschnitt eines Drahtes ein Rechteck ist, aber in Wirklichkeit ist es ein Trapez. Nimmt man die TOP-Schicht als Beispiel, wenn die Dicke der Kupferfolie 1 OZ beträgt, ist die obere untere Kante des Trapezes 1 MIL kürzer als die untere untere Kante. Wenn die Linienbreite beispielsweise 5 MIL beträgt, dann sind die Ober- und Unterseite etwa 4 MIL und die Unter- und Unterseite etwa 5 MIL. Der Unterschied zwischen Ober- und Unterkante hängt mit der Kupferdicke zusammen. Die folgende Tabelle zeigt die Beziehung zwischen Oberseite und Unterseite des Trapezes unter verschiedenen Bedingungen.

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

Permittivität: Die Permittivität halbgehärteter Platten hängt von der Dicke ab. Die folgende Tabelle zeigt die Dicken- und Permittivitätsparameter verschiedener Arten von halbgehärteten Platten:

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

Die Dielektrizitätskonstante der Platte hängt vom verwendeten Harzmaterial ab. Die Dielektrizitätskonstante der FR4-Platte beträgt 4.2 – 4.7 und nimmt mit zunehmender Frequenz ab.

Dielektrischer Verlustfaktor: dielektrische Materialien unter der Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes aufgrund von Wärme und Energieverbrauch wird als dielektrischer Verlust bezeichnet, der normalerweise durch den dielektrischen Verlustfaktor Tan δ ausgedrückt wird. Der typische Wert für S1141A beträgt 0.015.

Minimale Linienbreite und Linienabstand zur Sicherstellung der Bearbeitung: 4mil/4mil.

Einführung in das Impedanzberechnungstool:

Wenn wir den Aufbau des Multilayer-Boards verstehen und die erforderlichen Parameter beherrschen, können wir die Impedanz über die EDA-Software berechnen. Sie können dazu Allegro verwenden, aber ich empfehle Polar SI9000, das ein gutes Werkzeug zur Berechnung der charakteristischen Impedanz ist und jetzt von vielen PCB-Fabriken verwendet wird.

Bei der Berechnung des Wellenwiderstands des inneren Signals sowohl der Differenzleitung als auch der einpoligen Leitung werden Sie aufgrund einiger Details, wie z. B. der Form des Drahtquerschnitts, nur einen geringen Unterschied zwischen Polar SI9000 und Allegro feststellen. Wenn es jedoch darum geht, die charakteristische Impedanz des Oberflächensignals zu berechnen, schlage ich vor, dass Sie das Coated-Modell anstelle des Surface-Modells wählen, da solche Modelle das Vorhandensein einer Lötwiderstandsschicht berücksichtigen, sodass die Ergebnisse genauer sind. Das Folgende ist ein teilweiser Screenshot der Oberflächen-Differenzleitungsimpedanz, die mit Polar SI9000 unter Berücksichtigung der Lötwiderstandsschicht berechnet wurde:

So steuern Sie die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung

Da die Dicke der Lötstopplackschicht nicht leicht zu kontrollieren ist, kann auch ein Näherungsansatz verwendet werden, wie vom Leiterplattenhersteller empfohlen: Ziehen Sie einen bestimmten Wert von der Oberflächenmodellberechnung ab. Es wird empfohlen, dass die Differenzimpedanz minus 8 Ohm und die Single-End-Impedanz minus 2 Ohm beträgt.

Anforderungen an differentielle Leiterplatten für die Verdrahtung

(1) Bestimmen Sie den Verdrahtungsmodus, die Parameter und die Impedanzberechnung. Es gibt zwei Arten von Differenzmodi für das Leitungsrouting: den Differenzmodus für die Mikrostreifenleitung der äußeren Schicht und den Differenzmodus für die Streifenleitung der inneren Schicht. Die Impedanz kann durch eine entsprechende Impedanzberechnungssoftware (wie POLAR-SI9000) oder eine Impedanzberechnungsformel durch angemessene Parametereinstellungen berechnet werden.

(2) Parallele isometrische Linien. Bestimmen Sie Linienbreite und -abstand und halten Sie sich beim Routing strikt an die berechneten Linienbreite und -abstände. Der Abstand zwischen zwei Linien muss immer unverändert bleiben, also parallel bleiben. Es gibt zwei Arten der Parallelität: Die eine besteht darin, dass die beiden Linien nebeneinander in derselben Ebene verlaufen, und die andere, dass die beiden Linien in der Über-Unter-Ebene verlaufen. Versuchen Sie im Allgemeinen zu vermeiden, das Differenzsignal zwischen den Schichten zu verwenden, da nämlich bei der tatsächlichen Verarbeitung von PCB im Prozess aufgrund der kaskadierten laminierten Ausrichtungsgenauigkeit viel geringer ist als zwischen der Ätzpräzision und dem laminierten dielektrischen Verlust, kann nicht garantieren, dass der Unterschied der Linienabstände gleich der Dicke des Zwischenschichtdielektrikums ist, wird der Unterschied zwischen den Schichten der Differenz der Impedanzänderung verursachen. Es wird empfohlen, die Differenz so weit wie möglich innerhalb derselben Schicht zu verwenden.