Jak kontrolować PCB impedancja?

Bez kontroli impedancji wystąpią znaczne odbicia i zniekształcenia sygnału, co spowoduje awarię konstrukcji. Typowe sygnały, takie jak magistrala PCI, magistrala PCI-E, USB, Ethernet, pamięć DDR, sygnał LVDS itp., Wszystkie wymagają kontroli impedancji. Kontrola impedancji musi być ostatecznie realizowana poprzez projektowanie PCB, co również stawia wyższe wymagania dla technologii płytek PCB. Po komunikacji z fabryką PCB i połączeniu z wykorzystaniem oprogramowania EDA, impedancja okablowania jest kontrolowana zgodnie z wymaganiami integralności sygnału.

Można obliczyć różne metody okablowania, aby uzyskać odpowiednią wartość impedancji.

Linie mikropaskowe

• Składa się z paska drutu z płaszczyzną uziemienia i dielektrykiem pośrodku. Jeśli stała dielektryczna, szerokość linii i jej odległość od płaszczyzny uziemienia są regulowane, to jej impedancja charakterystyczna jest regulowana, a dokładność będzie zawierać się w granicach ± ​​5%.

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Linia paskowa

Linia wstęgowa to pasek miedzi w środku dielektryka pomiędzy dwiema płaszczyznami przewodzącymi. Jeżeli grubość i szerokość linii, stała dielektryczna ośrodka oraz odległość między płaszczyznami uziemienia dwóch warstw są kontrolowane, impedancja charakterystyczna linii jest kontrolowana, a dokładność mieści się w granicach 10%.

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Struktura płyty wielowarstwowej:

Aby dobrze kontrolować impedancję PCB, konieczne jest zrozumienie struktury PCB:

Zwykle to, co nazywamy płytą wielowarstwową, składa się z płyty rdzeniowej i półstwardniałego arkusza laminowanych ze sobą. Płytka rdzeniowa to twarda, o określonej grubości, miedziana płyta z dwóch chlebów, która jest podstawowym materiałem płytki drukowanej. A półutwardzony kawałek stanowi tak zwaną warstwę infiltracyjną, pełni rolę spajania płyty rdzeniowej, chociaż istnieje pewna grubość początkowa, ale w procesie tłoczenia jej grubość będą się zmieniać.

Zwykle dwie najbardziej zewnętrzne warstwy dielektryczne wielowarstwy są warstwami zwilżonymi, a oddzielne warstwy folii miedzianej są stosowane na zewnątrz tych dwóch warstw jako zewnętrzna folia miedziana. Oryginalna specyfikacja grubości zewnętrznej folii miedzianej i wewnętrznej folii miedzianej wynosi zwykle 0.5 uncji, 1 uncji, 2 uncji (1 uncja to około 35um lub 1.4 mil), ale po serii obróbki powierzchni ostateczna grubość zewnętrznej folii miedzianej zwykle wzrośnie o około 1 UNCJA. Wewnętrzna folia miedziana to miedziana powłoka po obu stronach płyty rdzenia. Grubość końcowa niewiele różni się od grubości oryginalnej, ale generalnie jest zmniejszona o kilka um z powodu trawienia.

Najbardziej zewnętrzną warstwą płyty wielowarstwowej jest warstwa oporowa zgrzewania, czyli to, co często mówimy „zielony olej”, oczywiście może to być również żółty lub inny kolor. Grubość warstwy oporowej na lutowie generalnie nie jest łatwa do dokładnego określenia. Obszar bez folii miedzianej na powierzchni jest nieco grubszy niż obszar z folią miedzianą, ale z powodu braku grubości folii miedzianej, więc folia miedziana jest jeszcze bardziej widoczna, gdy dotykamy powierzchni płytki drukowanej palcami.

W przypadku wykonania płyty drukowanej o określonej grubości, z jednej strony wymagany jest rozsądny dobór parametrów materiału, z drugiej zaś ostateczna grubość półutwardzonego arkusza będzie mniejsza niż grubość początkowa. Oto typowa 6-warstwowa konstrukcja laminowana:

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Parametry PCB:

Różne zakłady PCB mają niewielkie różnice w parametrach PCB. Poprzez komunikację ze wsparciem technicznym instalacji obwodów drukowanych uzyskaliśmy kilka danych parametrów instalacji:

Folia miedziana powierzchniowa:

Do wyboru są trzy grubości folii miedzianej: 12um, 18um i 35um. Ostateczna grubość po wykończeniu to około 44um, 50um i 67um.

Płytka rdzeniowa: S1141A, standard FR-4, powszechnie stosowane są dwie miedziane płytki plecione. Opcjonalne specyfikacje można ustalić, kontaktując się z producentem.

Półutwardzona tabletka:

Dane techniczne (grubość oryginalna) to 7628 (0.185 mm), 2116 (0.105 mm), 1080 (0.075 mm), 3313 (0.095 mm). Rzeczywista grubość po prasowaniu jest zwykle o 10-15um mniejsza od pierwotnej wartości. Na tę samą warstwę infiltracyjną można zastosować maksymalnie 3 tabletki półutwardzone, a grubość 3 tabletek półutwardzonych nie może być taka sama, można zastosować co najmniej jedną tabletkę półutwardzoną, ale niektórzy producenci muszą stosować co najmniej dwie tabletki. . Jeśli grubość półutwardzonego kawałka jest niewystarczająca, folię miedzianą po obu stronach płyty rdzeniowej można wytrawić, a następnie półutwardzony kawałek można skleić z obu stron, tak aby można było nałożyć grubszą warstwę infiltracyjną. osiągnięty.

Warstwa zgrzewania oporowego:

Grubość warstwy lutowia na folii miedzianej to C2≈8-10um. Grubość warstwy lutowia na powierzchni bez folii miedzianej wynosi C1, która zmienia się wraz z grubością miedzi na powierzchni. Gdy grubość miedzi na powierzchni wynosi 45um, C1≈13-15um, a gdy grubość miedzi na powierzchni wynosi 70um, C1≈17-18um.

Sekcja trawersu:

Moglibyśmy pomyśleć, że przekrój drutu jest prostokątem, ale w rzeczywistości jest to trapez. Na przykładzie warstwy TOP, gdy grubość folii miedzianej wynosi 1OZ, górna dolna krawędź trapezu jest o 1MIL krótsza niż dolna krawędź dolna. Na przykład, jeśli szerokość linii wynosi 5MIL, to górna i dolna strona mają około 4MIL, a dolna i dolna strona mają około 5MIL. Różnica między górną a dolną krawędzią jest związana z grubością miedzi. Poniższa tabela przedstawia zależność między górą a dołem trapezu w różnych warunkach.

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Przenikalność: Przenikalność półutwardzonych arkuszy jest związana z grubością. Poniższa tabela przedstawia parametry grubości i przenikalności elektrycznej różnych typów blach półutwardzonych:

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Stała dielektryczna płyty jest związana z użytym materiałem żywicznym. Stała dielektryczna płytki FR4 wynosi 4.2 – 4.7 i maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.

Współczynnik strat dielektrycznych: materiały dielektryczne pod działaniem zmiennego pola elektrycznego, ze względu na zużycie ciepła i energii, nazywane są stratami dielektrycznymi, zwykle wyrażanymi przez współczynnik strat dielektrycznych Tan δ. Typowa wartość dla S1141A to 0.015.

Minimalna szerokość linii i odstępy między liniami zapewniające obróbkę: 4mil/4mil.

Wprowadzenie do narzędzia do obliczania impedancji:

Kiedy zrozumiemy strukturę płytki wielowarstwowej i opanujemy wymagane parametry, możemy obliczyć impedancję za pomocą oprogramowania EDA. Można to zrobić za pomocą Allegro, ale polecam Polar SI9000, który jest dobrym narzędziem do obliczania impedancji charakterystycznej i jest obecnie używany przez wiele fabryk PCB.

Przy obliczaniu impedancji charakterystycznej sygnału wewnętrznego zarówno linii różnicowej, jak i pojedynczej linii zaciskowej, zauważysz tylko niewielką różnicę między Polar SI9000 a Allegro ze względu na pewne szczegóły, takie jak kształt przekroju poprzecznego przewodu. Jeśli jednak ma być obliczana impedancja charakterystyczna sygnału Surface, sugeruję wybór modelu Coated zamiast modelu Surface, ponieważ takie modele uwzględniają istnienie warstwy oporowej lutu, dzięki czemu wyniki będą dokładniejsze. Poniżej znajduje się częściowy zrzut ekranu powierzchniowej impedancji linii różnicowej obliczonej za pomocą Polar SI9000 z uwzględnieniem warstwy oporowej lutu:

Co to jest kontrola impedancji, jak wykonać kontrolę impedancji na płytce drukowanej?

Ponieważ grubość warstwy soldermaski nie jest łatwa do kontrolowania, można również zastosować podejście przybliżone, zalecane przez producenta płytki: odejmij określoną wartość od obliczeń modelu Surface. Zaleca się, aby impedancja różnicowa wynosiła minus 8 omów, a impedancja pojedynczego końca wynosiła minus 2 omy.

Różnicowe wymagania dotyczące okablowania PCB

(1) Określ tryb okablowania, parametry i obliczenie impedancji. Istnieją dwa rodzaje trybów różnicowych dla trasowania linii: tryb różnicowy linii mikropaskowej warstwy zewnętrznej i tryb różnicowy linii taśmowej warstwy wewnętrznej. Impedancję można obliczyć za pomocą odpowiedniego oprogramowania do obliczania impedancji (takiego jak POLAR-SI9000) lub wzoru do obliczania impedancji poprzez rozsądne ustawienie parametrów.

(2) Równoległe linie izometryczne. Określ szerokość linii i odstępy i ściśle przestrzegaj obliczonej szerokości linii i odstępów podczas trasowania. Odstęp między dwiema liniami musi zawsze pozostać niezmieniony, to znaczy zachować równoległość. Istnieją dwa sposoby równoległości: jeden polega na tym, że dwie linie chodzą w tej samej warstwie obok siebie, a drugi polega na tym, że dwie linie chodzą w warstwie nad spodem. Generalnie staraj się unikać stosowania sygnału różnicowego między warstwami, a mianowicie dlatego, że w rzeczywistej obróbce PCB w procesie, ze względu na kaskadową dokładność wyrównania laminowanego laminatu, jest znacznie niższa niż zapewniana między precyzją trawienia, a w procesie laminowanego strat dielektrycznych, nie może zagwarantować, że różnica odstępów między liniami jest równa grubości dielektryka międzywarstwowego, spowoduje różnicę między warstwami różnicy zmiany impedancji. Zaleca się jak największe wykorzystanie różnicy w obrębie tej samej warstwy.