Como controlar PCB impedância?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. Sinais comuns, como barramento PCI, barramento PCI-E, USB, Ethernet, memória DDR, sinal LVDS, etc., todos precisam de controle de impedância. 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.

Diferentes métodos de fiação podem ser calculados para obter o valor de impedância correspondente.

Microstrip lines

• Consiste em uma tira de fio com o plano de aterramento e o dielétrico no meio. Se a constante dielétrica, a largura da linha e sua distância do plano de aterramento forem controláveis, então sua impedância característica é controlável e a precisão estará dentro de ± 5%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Stripline

Uma linha de fita é uma tira de cobre no meio do dielétrico entre dois planos condutores. 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%.

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The structure of multi-layer board:

A fim de controlar bem a impedância do PCB, é necessário entender a estrutura do PCB:

Normalmente, o que chamamos de placa multicamadas é composto de placa central e folha semi-solidificada laminada entre si. A placa central é uma placa dura, de espessura específica, de cobre de dois pães, que é o material básico da placa impressa. 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.

Normalmente, as duas camadas dielétricas mais externas de uma multicamada são camadas úmidas e camadas separadas de folha de cobre são usadas do lado de fora dessas duas camadas como a folha de cobre externa. A especificação de espessura original da folha de cobre externa e da folha de cobre interna é geralmente 0.5 onças, 1OZ, 2OZ (1OZ é cerca de 35um ou 1.4mil), mas após uma série de tratamento de superfície, a espessura final da folha de cobre externa geralmente aumentará cerca de 1OZ. A folha de cobre interna é a cobertura de cobre em ambos os lados da placa do núcleo. A espessura final difere pouco da espessura original, mas geralmente é reduzida em vários um devido ao ataque químico.

A camada mais externa da placa multicamadas é a camada de resistência à soldagem, que é o que costumamos dizer “óleo verde”, claro, também pode ser amarelo ou outras cores. 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. O que se segue é uma estrutura laminada de 6 camadas típica:

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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:

Folha de cobre de superfície:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. A espessura final após o acabamento é de cerca de 44um, 50um e 67um.

Placa central: S1141A, padrão FR-4, duas placas de cobre empanadas são comumente usadas. As especificações opcionais podem ser determinadas entrando em contato com o fabricante.

Semi-cured tablet:

As especificações (espessura original) são 7628 (0.185 mm), 2116 (0.105 mm), 1080 (0.075 mm), 3313 (0.095 mm). A espessura real após a prensagem é geralmente cerca de 10-15um menor que o valor original. Um máximo de 3 comprimidos semi-curados podem ser usados ​​para a mesma camada de infiltração, e a espessura de 3 comprimidos semi-curados não pode ser a mesma, pelo menos um comprimido semi-curado pode ser usado, mas alguns fabricantes devem usar pelo menos dois . Se a espessura da peça semi-curada não for suficiente, a folha de cobre em ambos os lados da placa do núcleo pode ser decapada e, em seguida, a peça semi-curada pode ser ligada em ambos os lados, de modo que uma camada de infiltração mais espessa possa ser alcançou.

Camada de soldagem por resistência:

A espessura da camada de resistência de solda na folha de cobre é C2 ~ 8-10um. A espessura da camada de resistência de solda na superfície sem folha de cobre é C1, que varia com a espessura do cobre na superfície. Quando a espessura do cobre na superfície é 45um, C1≈13-15um, e quando a espessura do cobre na superfície é 70um, C1≈17-18um.

Seção transversal:

Poderíamos pensar que a seção transversal de um fio é um retângulo, mas na verdade é um trapézio. Tomando a camada SUPERIOR como exemplo, quando a espessura da folha de cobre é 1OZ, a borda inferior superior do trapézio é 1MIL mais curta do que a borda inferior inferior. Por exemplo, se a largura da linha é 5MIL, os lados superior e inferior são cerca de 4MIL e os lados inferior e inferior são cerca de 5MIL. A diferença entre as bordas superior e inferior está relacionada à espessura do cobre. A tabela a seguir mostra a relação entre o topo e a base do trapézio em diferentes condições.

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Permissividade: A permissividade de chapas semicuráveis ​​está relacionada à espessura. A tabela a seguir mostra os parâmetros de espessura e permissividade de diferentes tipos de chapas semicuradas:

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A constante dielétrica da placa está relacionada ao material de resina utilizado. A constante dielétrica da placa FR4 é 4.2 – 4.7, e diminui com o aumento da frequência.

Fator de perda dielétrica: os materiais dielétricos sob a ação de campo elétrico alternado, devido ao consumo de calor e energia são denominados perda dielétrica, geralmente expressa pelo fator de perda dielétrica Tan δ. O valor típico para S1141A é 0.015.

Largura e espaçamento de linha mínimo para garantir a usinagem: 4mil / 4mil.

Introdução da ferramenta de cálculo de impedância:

Quando entendemos a estrutura da placa multicamadas e dominamos os parâmetros necessários, podemos calcular a impedância através do software EDA. Você pode usar o Allegro para fazer isso, mas eu recomendo o Polar SI9000, que é uma boa ferramenta para calcular a impedância característica e agora é usado por muitas fábricas de PCB.

Ao calcular a impedância característica do sinal interno da linha diferencial e da linha de terminal único, você encontrará apenas uma ligeira diferença entre o Polar SI9000 e o Allegro devido a alguns detalhes, como o formato da seção transversal do fio. Porém, se for para calcular a impedância característica do sinal Surface, sugiro que você escolha o modelo Coated em vez do modelo Surface, pois tais modelos levam em consideração a existência de camada de resistência de solda, portanto os resultados serão mais precisos. A seguir está uma captura de tela parcial da impedância de linha diferencial de superfície calculada com Polar SI9000 considerando a camada de resistência de solda:

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Uma vez que a espessura da camada de resistência de solda não é facilmente controlada, uma abordagem aproximada também pode ser usada, conforme recomendado pelo fabricante da placa: subtraia um valor específico do cálculo do modelo de superfície. Recomenda-se que a impedância diferencial seja de menos 8 ohms e a impedância de extremidade única seja de menos 2 ohms.

Requisitos de PCB diferenciais para fiação

(1) Determine o modo de fiação, os parâmetros e o cálculo da impedância. Existem dois tipos de modos de diferença para o roteamento de linha: modo de diferença de linha de microfita da camada externa e modo de diferença de linha de tira da camada interna. A impedância pode ser calculada por software de cálculo de impedância relacionado (como POLAR-SI9000) ou fórmula de cálculo de impedância por meio de configuração de parâmetro razoável.

(2) Linhas isométricas paralelas. Determine a largura e o espaçamento da linha e siga estritamente a largura e o espaçamento calculados da linha ao rotear. O espaçamento entre duas linhas deve permanecer sempre inalterado, ou seja, para se manter paralelo. 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. Geralmente, tente evitar o uso do sinal de diferença entre as camadas, nomeadamente porque no processamento real de PCB no processo, devido à precisão de alinhamento laminado em cascata, a precisão é muito menor do que a fornecida entre a precisão de corrosão e no processo de perda dielétrica laminada, não pode garantir a diferença de espaçamento entre linhas é igual à espessura do dielétrico intercamada, fará com que a diferença entre as camadas da diferença de mudança de impedância. Recomenda-se usar a diferença dentro da mesma camada, tanto quanto possível.