Hoe te controleren PCB impedantie?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. Gemeenschappelijke signalen, zoals PCI-bus, PCI-E-bus, USB, Ethernet, DDR-geheugen, LVDS-signaal, enz., hebben allemaal impedantiecontrole nodig. Impedantieregeling moet uiteindelijk worden gerealiseerd door middel van PCB-ontwerp, dat ook hogere eisen stelt aan de printplaattechnologie. Na communicatie met de PCB-fabriek en gecombineerd met het gebruik van EDA-software, wordt de impedantie van de bedrading geregeld volgens de vereisten van signaalintegriteit.

Er kunnen verschillende bedradingsmethoden worden berekend om de bijbehorende impedantiewaarde te krijgen.

Microstrip lines

• Het bestaat uit een strook draad met het grondvlak en het diëlektricum in het midden. Als de diëlektrische constante, de breedte van de lijn en de afstand tot het grondvlak regelbaar zijn, dan is de karakteristieke impedantie regelbaar en zal de nauwkeurigheid binnen ± 5% liggen.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Striplijn

Een lintlijn is een strook koper in het midden van het diëlektricum tussen twee geleidende vlakken. Als de dikte en breedte van de lijn, de diëlektrische constante van het medium en de afstand tussen de grondvlakken van de twee lagen regelbaar zijn, is de karakteristieke impedantie van de lijn regelbaar en ligt de nauwkeurigheid binnen 10%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The structure of multi-layer board:

Om de PCB-impedantie goed te beheersen, is het noodzakelijk om de structuur van PCB te begrijpen:

Gewoonlijk bestaat wat we meerlagige plaat noemen, uit een kernplaat en halfgestolde plaat die aan elkaar zijn gelamineerd. Kernplaat is een harde, specifieke dikte, twee koperen plaat, het basismateriaal van de printplaat. 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.

Gewoonlijk zijn de buitenste twee diëlektrische lagen van een meerlaagse bevochtigde lagen, en afzonderlijke koperfolielagen worden aan de buitenkant van deze twee lagen gebruikt als de buitenste koperfolie. De oorspronkelijke diktespecificatie van buitenste koperfolie en binnenste koperfolie is over het algemeen 0.5 oz, 1 OZ, 2 OZ (1 OZ is ongeveer 35um of 1.4 mil), maar na een reeks oppervlaktebehandelingen zal de uiteindelijke dikte van buitenste koperfolie over het algemeen met ongeveer toenemen 1 ONS. De binnenste koperfolie is de koperen bekleding aan beide zijden van de kernplaat. De uiteindelijke dikte wijkt weinig af van de oorspronkelijke dikte, maar wordt door het etsen over het algemeen met enkele urn verminderd.

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.

Wanneer een bepaalde dikte van de printplaat wordt gemaakt, is enerzijds een redelijke keuze van materiaalparameters vereist, anderzijds zal de uiteindelijke dikte van de semi-uitgeharde plaat kleiner zijn dan de initiële dikte. Het volgende is een typische 6-laags gelamineerde structuur:

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:

Oppervlak koperfolie:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. De uiteindelijke dikte na afwerking is ongeveer 44um, 50um en 67um.

Kernplaat: S1141A, standaard FR-4, twee gepaneerde koperen platen worden vaak gebruikt. De optionele specificaties kunnen worden bepaald door contact op te nemen met de fabrikant.

Semi-cured tablet:

Specificaties (oorspronkelijke dikte) zijn 7628 (0.185 mm), 2116 (0.105 mm), 1080 (0.075 mm), 3313 (0.095 mm). De werkelijke dikte na het persen is meestal ongeveer 10-15 um minder dan de oorspronkelijke waarde. Er kunnen maximaal 3 semi-uitgeharde tabletten worden gebruikt voor dezelfde infiltratielaag, en de dikte van 3 semi-uitgeharde tabletten kan niet hetzelfde zijn, er kan ten minste één halfuitgeharde tablet worden gebruikt, maar sommige fabrikanten moeten er minimaal twee gebruiken . Als de dikte van het halfgeharde stuk niet voldoende is, kan de koperfolie aan beide zijden van de kernplaat worden weggeëtst, en vervolgens kan het halfgeharde stuk aan beide zijden worden verlijmd, zodat een dikkere infiltratielaag kan worden bereikt.

Weerstandslaslaag:

De dikte van de soldeerbestendige laag op de koperfolie is C2≈8-10um. De dikte van de soldeerresistlaag op het oppervlak zonder koperfolie is C1, die varieert met de dikte van koper op het oppervlak. Wanneer de dikte van koper op het oppervlak 45um is, C1≈13-15um, en wanneer de dikte van koper op het oppervlak 70um is, C1≈17-18um.

Doorsnede:

We zouden denken dat de doorsnede van een draad een rechthoek is, maar het is eigenlijk een trapezium. Als we de TOP-laag als voorbeeld nemen, wanneer de dikte van koperfolie 1OZ is, is de bovenste onderrand van het trapezium 1MIL korter dan de onderste onderrand. Als de lijnbreedte bijvoorbeeld 5MIL is, dan zijn de boven- en onderkant ongeveer 4MIL en de onder- en onderkant ongeveer 5MIL. Het verschil tussen boven- en onderrand is gerelateerd aan de koperdikte. De volgende tabel toont de relatie tussen de boven- en onderkant van trapezium onder verschillende omstandigheden.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Permittiviteit: De permittiviteit van semi-uitgeharde platen is gerelateerd aan de dikte. De volgende tabel toont de dikte- en permittiviteitsparameters van verschillende soorten semi-uitgeharde platen:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

De diëlektrische constante van de plaat is gerelateerd aan het gebruikte harsmateriaal. De diëlektrische constante van de FR4-plaat is 4.2 – 4.7 en neemt af met de toename van de frequentie.

Diëlektrische verliesfactor: diëlektrische materialen onder invloed van wisselend elektrisch veld, als gevolg van warmte- en energieverbruik, wordt diëlektrisch verlies genoemd, meestal uitgedrukt door diëlektrische verliesfactor Tan δ. De typische waarde voor S1141A is 0.015.

Minimale lijnbreedte en lijnafstand om bewerking te garanderen: 4mil/4mil.

Introductie van impedantieberekeningstool:

Wanneer we de structuur van het meerlaagse bord begrijpen en de vereiste parameters beheersen, kunnen we de impedantie berekenen via EDA-software. U kunt hiervoor Allegro gebruiken, maar ik raad Polar SI9000 aan, dat een goed hulpmiddel is voor het berekenen van karakteristieke impedantie en dat nu door veel PCB-fabrieken wordt gebruikt.

Bij het berekenen van de karakteristieke impedantie van het binnensignaal van zowel de differentiële lijn als de enkele aansluitlijn, zul je slechts een klein verschil vinden tussen Polar SI9000 en Allegro vanwege enkele details, zoals de vorm van de doorsnede van de draad. Als het echter is om de karakteristieke impedantie van het Surface-signaal te berekenen, raad ik je aan het Coated-model te kiezen in plaats van het Surface-model, omdat dergelijke modellen rekening houden met het bestaan ​​van een soldeerweerstandslaag, dus de resultaten zullen nauwkeuriger zijn. Het volgende is een gedeeltelijke schermafbeelding van de differentiële lijnimpedantie van het oppervlak, berekend met Polar SI9000, rekening houdend met de soldeerweerstandslaag:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Aangezien de dikte van de soldeerresistlaag niet gemakkelijk te controleren is, kan ook een benadering bij benadering worden gebruikt, zoals aanbevolen door de fabrikant van de plaat: trek een specifieke waarde af van de berekening van het Surface-model. Het wordt aanbevolen dat de differentiële impedantie min 8 ohm is en de enkelzijdige impedantie min 2 ohm.

Differentiële PCB-vereisten voor bedrading:

(1) Bepaal de bedradingsmodus, parameters en impedantieberekening. Er zijn twee soorten verschilmodi voor lijnroutering: buitenlaag microstrip lijnverschilmodus en binnenlaag striplijnverschilmodus. Impedantie kan worden berekend door gerelateerde impedantieberekeningssoftware (zoals POLAR-SI9000) of impedantieberekeningsformule via redelijke parameterinstelling.

(2) Parallelle isometrische lijnen. Bepaal de lijnbreedte en -afstand en volg strikt de berekende lijnbreedte en -afstand bij het routeren. De afstand tussen twee lijnen moet altijd ongewijzigd blijven, dat wil zeggen parallel blijven. 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. Probeer over het algemeen het verschilsignaal tussen de lagen te vermijden, namelijk omdat bij de daadwerkelijke verwerking van PCB in het proces, vanwege de trapsgewijze gelamineerde uitlijningsnauwkeurigheid veel lager is dan die tussen de etsprecisie en in het proces van gelamineerd diëlektrisch verlies, kan niet garanderen dat de verschillijnafstand gelijk is aan de dikte van het diëlektricum tussen de lagen, zal het verschil tussen de lagen van het verschil in impedantieverandering veroorzaken. Het is aan te raden om het verschil zoveel mogelijk binnen dezelfde laag te gebruiken.