Как контролировать печатная плата импеданс?

Без контроля импеданса может возникнуть значительное отражение и искажение сигнала, что приведет к нарушению конструкции. Общие сигналы, такие как шина PCI, шина PCI-E, USB, Ethernet, память DDR, сигнал LVDS и т. Д., Нуждаются в контроле импеданса. В конечном итоге контроль импеданса должен быть реализован через дизайн печатной платы, что также выдвигает более высокие требования к технологии печатных плат. После обмена данными с заводом по производству печатных плат и использования программного обеспечения EDA импеданс проводки контролируется в соответствии с требованиями целостности сигнала.

Чтобы получить соответствующее значение импеданса, можно рассчитать различные методы подключения.

Микрополосковые линии

• Он состоит из полоски провода с заземляющей пластиной и диэлектриком посередине. Если диэлектрическая проницаемость, ширина линии и расстояние от нее до плоскости заземления можно регулировать, то ее характеристический импеданс можно регулировать, а точность будет в пределах ± 5%.

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

полосковой

Ленточная линия – это полоска меди в середине диэлектрика между двумя проводящими плоскостями. Если толщину и ширину линии, диэлектрическую проницаемость среды и расстояние между плоскостями заземления двух слоев можно контролировать, характеристический импеданс линии можно контролировать, а точность находится в пределах 10%.

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

Структура многослойной доски:

Чтобы хорошо контролировать импеданс печатной платы, необходимо понимать структуру печатной платы:

Обычно то, что мы называем многослойной плитой, состоит из основной плиты и полутвердого листа, ламинированных друг с другом. Основная плата представляет собой твердую двухпластинчатую медную пластину определенной толщины, которая является основным материалом печатной платы. А полуотвержденный кусок составляет так называемый инфильтрационный слой, играет роль скрепления стержневой пластины, хотя и есть определенная начальная толщина, но в процессе прессования в ее толщине будут происходить некоторые изменения.

Обычно два самых внешних диэлектрических слоя многослойной пленки представляют собой смоченные слои, и отдельные слои медной фольги используются снаружи этих двух слоев в качестве внешней медной фольги. Исходная спецификация толщины внешней медной фольги и внутренней медной фольги обычно составляет 0.5 унции, 1 унций, 2 унции (1 унций составляет около 35 мкм или 1.4 мил), но после серии поверхностной обработки конечная толщина внешней медной фольги обычно увеличивается примерно на 1 УНЦИЯ. Внутренняя медная фольга – это медное покрытие с обеих сторон пластины сердечника. Конечная толщина мало отличается от первоначальной, но обычно уменьшается на несколько мкм из-за травления.

Самый внешний слой многослойной плиты – это слой сопротивления сварке, который мы часто называем «зеленым маслом», конечно, он также может быть желтого или другого цвета. Толщину резистивного слоя припоя обычно нелегко точно определить. Область без медной фольги на поверхности немного толще, чем область с медной фольгой, но из-за недостаточной толщины медной фольги медная фольга все еще более заметна, когда мы касаемся поверхности печатной платы пальцами.

При изготовлении печатной платы определенной толщины, с одной стороны, требуется разумный выбор параметров материала, с другой стороны, конечная толщина полуотвержденного листа будет меньше начальной толщины. Ниже представлена ​​типичная 6-слойная ламинированная структура:

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

Параметры печатной платы:

У разных заводов по производству печатных плат есть небольшие различия в параметрах печатных плат. Связавшись со службой технической поддержки завода по производству печатных плат, мы получили некоторые данные о параметрах завода:

Поверхность медной фольги:

Можно использовать медную фольгу трех толщин: 12 мкм, 18 мкм и 35 мкм. Окончательная толщина после отделки составляет около 44, 50 и 67 мкм.

Основная пластина: S1141A, стандарт FR-4, обычно используются две медные пластины в панировке. Дополнительные характеристики можно определить, связавшись с производителем.

Полутвердые таблетки:

Технические характеристики (толщина оригинала): 7628 (0.185 мм), 2116 (0.105 мм), 1080 (0.075 мм), 3313 (0.095 мм). Фактическая толщина после прессования обычно примерно на 10-15 мкм меньше первоначального значения. Для одного и того же инфильтрационного слоя можно использовать не более 3 полуотвержденных таблеток, а толщина 3 полуотвержденных таблеток не может быть одинаковой, можно использовать как минимум одну полуотвержденную таблетку, но некоторые производители должны использовать как минимум две. . Если толщины полуотвержденного изделия недостаточно, медную фольгу с обеих сторон основной пластины можно протравить, а затем полуотвержденный кусок можно приклеить с обеих сторон, чтобы можно было получить более толстый слой инфильтрации. достигнуто.

Слой контактной сварки:

Толщина слоя припоя резиста на медной фольге составляет C2≈8-10 мкм. Толщина слоя припоя резиста на поверхности без медной фольги составляет С1, которая зависит от толщины меди на поверхности. Когда толщина меди на поверхности составляет 45 мкм, C1≈13-15 мкм, а когда толщина меди на поверхности составляет 70 мкм, C1≈17-18 мкм.

Поперечный разрез:

Мы можем подумать, что сечение провода представляет собой прямоугольник, но на самом деле это трапеция. Если взять верхний слой в качестве примера, когда толщина медной фольги составляет 1 унцию, верхний нижний край трапеции на 1 мил короче нижнего нижнего края. Например, если ширина линии составляет 5 мил, то верхняя и нижняя стороны составляют около 4 мил, а нижняя и нижняя стороны – около 5 мил. Разница между верхним и нижним краями связана с толщиной меди. В следующей таблице показано соотношение между верхом и низом трапеции в различных условиях.

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

Диэлектрическая проницаемость: диэлектрическая проницаемость полуотвержденных листов зависит от толщины. В следующей таблице приведены параметры толщины и диэлектрической проницаемости различных типов полуотвержденных листов:

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

Диэлектрическая проницаемость пластины зависит от используемого полимерного материала. Диэлектрическая проницаемость пластины FR4 составляет 4.2 – 4.7 и уменьшается с увеличением частоты.

Коэффициент диэлектрических потерь: диэлектрические материалы под действием переменного электрического поля из-за потребления тепла и энергии называются диэлектрическими потерями, обычно выражаются коэффициентом диэлектрических потерь Tan δ. Типичное значение для S1141A – 0.015.

Минимальная ширина линии и межстрочный интервал для обеспечения обработки: 4 мил / 4 мил.

Введение в инструмент расчета импеданса:

Когда мы понимаем структуру многослойной платы и овладеваем необходимыми параметрами, мы можем рассчитать импеданс с помощью программного обеспечения EDA. Для этого вы можете использовать Allegro, но я рекомендую Polar SI9000, который является хорошим инструментом для расчета характеристического импеданса и сейчас используется на многих заводах по производству печатных плат.

При вычислении характеристического импеданса внутреннего сигнала как дифференциальной линии, так и одиночной клеммной линии, вы обнаружите лишь небольшую разницу между Polar SI9000 и Allegro из-за некоторых деталей, таких как форма поперечного сечения провода. Однако, если необходимо рассчитать характеристический импеданс сигнала поверхности, я предлагаю вам выбрать модель с покрытием вместо модели поверхности, потому что такие модели учитывают наличие слоя сопротивления припоя, поэтому результаты будут более точными. Ниже приведен частичный снимок экрана с импедансом поверхностной дифференциальной линии, рассчитанным с помощью Polar SI9000 с учетом слоя сопротивления припоя:

Что такое контроль импеданса, как выполнять контроль импеданса на печатной плате

Поскольку толщину слоя паяльного резиста нелегко контролировать, можно также использовать приблизительный подход, рекомендованный производителем платы: вычтите конкретное значение из расчета модели поверхности. Рекомендуется, чтобы дифференциальный импеданс составлял минус 8 Ом, а несимметричный импеданс – минус 2 Ом.

Требования к дифференциальной плате для подключения

(1) Определите режим проводки, параметры и расчет импеданса. Существует два вида режимов разности для линейной разводки: режим разности линий микрополосков внешнего слоя и режим разности линий внутренних слоев. Импеданс можно рассчитать с помощью соответствующего программного обеспечения для расчета импеданса (например, POLAR-SI9000) или формулы расчета импеданса с помощью разумной настройки параметров.

(2) Параллельные изометрические линии. Определите ширину и интервал линий и строго следуйте рассчитанной ширине линий и интервалу при трассировке. Расстояние между двумя линиями всегда должно оставаться неизменным, то есть оставаться параллельным. Есть два способа параллелизма: один состоит в том, что две линии проходят в одном и том же слое бок о бок, а другой – в том, что две линии проходят в нижнем слое. Обычно старайтесь избегать использования разностного сигнала между слоями, а именно потому, что при фактической обработке печатной платы в процессе из-за каскадного многослойного выравнивания точность намного ниже, чем обеспечивается между точностью травления и в процессе многослойных диэлектрических потерь, не может гарантировать, что разность межстрочного интервала равна толщине межслойного диэлектрика, вызовет разницу между слоями разности изменения импеданса. Рекомендуется максимально использовать разницу в пределах одного слоя.