With the increasing speed of PCB signal switching, today’s PCB designers need to understand and control the impedance of PCB traces. Corresponding to the shorter signal transmission times and higher clock rates of modern digital circuits, PCB traces are no longer simple connections, but transmission lines.

วิธีการควบคุมอิมพีแดนซ์ PCB

ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องควบคุมอิมพีแดนซ์การติดตามเมื่อความเร็วขอบดิจิทัลเกิน 1ns หรือความถี่แอนะล็อกเกิน 300Mhz พารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งของการติดตาม PCB คืออิมพีแดนซ์เฉพาะ (อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าต่อกระแสเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปตามสายส่งสัญญาณ) อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของลวดบนแผงวงจรพิมพ์เป็นดัชนีที่สำคัญของการออกแบบแผงวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบ PCB ของวงจรความถี่สูง จะต้องพิจารณาว่าอิมพีแดนซ์ลักษณะของลวดสอดคล้องกับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่อุปกรณ์หรือสัญญาณต้องการหรือไม่ This involves two concepts: impedance control and impedance matching. This paper focuses on impedance control and lamination design.

การควบคุมความต้านทาน

การควบคุม EIimpedance ตัวนำในแผงวงจรจะมีการส่งสัญญาณทุกชนิด เพื่อปรับปรุงอัตราการส่งและต้องเพิ่มความถี่ หากเส้นเองเกิดจากการกัด ความหนา ความกว้างของเส้นลวด และปัจจัยอื่นๆ ที่ต่างกันจะทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานการบิดเบือนสัญญาณ ดังนั้น ควรควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ของตัวนำบนแผงวงจรความเร็วสูงภายในช่วงที่กำหนด เรียกว่า “การควบคุมอิมพีแดนซ์”

The impedance of a PCB trace will be determined by its inductive and capacitive inductance, resistance, and conductivity coefficient. The main factors affecting the impedance of PCB wiring are: the width of copper wire, the thickness of copper wire, the dielectric constant of medium, the thickness of medium, the thickness of pad, the path of ground wire, the wiring around the wiring, etc. อิมพีแดนซ์ PCB มีตั้งแต่ 25 ถึง 120 โอห์ม

ในทางปฏิบัติ สายส่ง PCB มักจะประกอบด้วยร่องรอย ชั้นอ้างอิงหนึ่งชั้นขึ้นไป และวัสดุฉนวน ร่องรอยและชั้นสร้างอิมพีแดนซ์ควบคุม PCBS มักจะเป็นแบบหลายชั้น และสามารถสร้างอิมพีแดนซ์ควบคุมได้หลายวิธี However, whatever method is used, the impedance value will be determined by its physical structure and the electrical properties of the insulating material:

ความกว้างและความหนาของการติดตามสัญญาณ

The height of the core or prefill material on either side of the trace

การกำหนดค่าของรอยและเพลท

Insulation constants of core and prefilled materials

สายส่ง PCB มาในสองรูปแบบหลัก: ไมโครสตริปและสตริปไลน์

Microstrip:

เส้นไมโครสตริปคือตัวนำแถบที่มีระนาบอ้างอิงเพียงด้านเดียว โดยที่ด้านบนและด้านข้างสัมผัสกับอากาศ (หรือเคลือบ) เหนือพื้นผิวของแผงวงจร Er ที่มีค่าคงที่ของฉนวน โดยมีแหล่งจ่ายไฟหรือสายดินเป็นข้อมูลอ้างอิง ดังแสดงด้านล่าง:

Note: In actual PCB manufacturing, the board manufacturer usually coats the surface of the PCB with a layer of green oil, so in actual impedance calculation, the model shown below is usually used for surface microstrip line calculation:

สตริปไลน์:

เส้นริบบอนคือริบบิ้นลวดที่วางอยู่ระหว่างระนาบอ้างอิงสองระนาบ ดังแสดงในรูปด้านล่าง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของไดอิเล็กตริกที่แสดงโดย H1 และ H2 อาจแตกต่างกัน

The above two examples are only a typical demonstration of microstrip lines and ribbon lines. There are many kinds of specific microstrip lines and ribbon lines, such as coated microstrip lines, which are related to the specific laminated structure of PCB.

The equations used to calculate the characteristic impedances require complex mathematical calculations, usually using field solving methods, including boundary element analysis, so using the specialized impedance calculation software SI9000, all we need to do is control the parameters of the characteristic impedances:

Dielectric constant Er, wiring width W1, W2 (trapezoid), wiring thickness T and insulation layer thickness H.

W1, W2:

The calculated value must be within the red box. เป็นต้น

SI9000 is used to calculate whether the impedance control requirements are met:

First calculate the single-end impedance control of DDR data line:

TOP layer: 0.5oz copper thickness, 5MIL wire width, 3.8mil distance from the reference plane, dielectric constant 4.2. เลือกรุ่น แทนที่พารามิเตอร์ และเลือก Lossless Calculation ดังแสดงในรูป:

CoaTing หมายถึง coaTing และหากไม่มี coaTing ให้เติมความหนา 0 และ 1 ในไดอิเล็กตริก (ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก) (อากาศ)

พื้นผิวหมายถึงชั้นวัสดุพิมพ์ นั่นคือ ชั้นอิเล็กทริก โดยทั่วไปใช้ fr-4 ความหนาที่คำนวณโดยซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก 4.2 (ความถี่น้อยกว่า 1GHz)

Click on Weight (oz) to set the thickness of the copper layer, which determines the thickness of the cable.

9. แนวคิด Prepreg/Core ของชั้นฉนวน:

PP (Prepreg) เป็นวัสดุอิเล็กทริกชนิดหนึ่ง ประกอบด้วยใยแก้วและอีพอกซีเรซิน แกนกลางเป็นสื่อประเภท TYPE ของ PP แต่ทั้งสองด้านของมันถูกหุ้มด้วยฟอยล์ทองแดง ในขณะที่ PP ไม่ใช่ เมื่อทำแผ่นหลายชั้น แกนและ PP มักจะใช้ร่วมกัน และ PP จะใช้เพื่อเชื่อมระหว่างแกนกลางและแกนกลาง

10. เรื่องที่ต้องให้ความสนใจในการออกแบบการเคลือบ PCB

(1) ปัญหาการบิดเบี้ยว

การออกแบบชั้นของ PCB ควรจะสมมาตร นั่นคือ ความหนาของชั้นกลางและชั้นทองแดงของแต่ละชั้นควรจะสมมาตร ตัวอย่างเช่น ใช้หกชั้น ความหนาของตัวกลาง GND บนและตัวกลางกำลังล่างควรสอดคล้องกับความหนาของทองแดง และตัวกลาง GND-L2 และ L3-POWER ควรสอดคล้องกับความหนาของทองแดง นี้จะไม่บิดเบี้ยวเมื่อเคลือบ

(2) ชั้นสัญญาณควรแนบชิดกับระนาบอ้างอิงที่อยู่ติดกัน (นั่นคือ ความหนาปานกลางระหว่างชั้นสัญญาณและชั้นเคลือบทองแดงที่อยู่ติดกันควรมีขนาดเล็กมาก) การแต่งเนื้อทองแดงด้วยไฟฟ้าและการแต่งเนื้อทองแดงบดควรติดกันให้แน่น

(3) ในกรณีของความเร็วสูงมาก สามารถเพิ่มชั้นพิเศษเพื่อแยกชั้นสัญญาณได้ แต่ขอแนะนำว่าอย่าแยกชั้นพลังงานหลายชั้น ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่ไม่จำเป็น

(4) การกระจายของชั้นออกแบบเคลือบทั่วไปแสดงในตารางต่อไปนี้:

(5) หลักการทั่วไปของการจัดชั้น:

ใต้พื้นผิวส่วนประกอบ (ชั้นที่สอง) คือระนาบพื้น ซึ่งมีชั้นป้องกันอุปกรณ์และระนาบอ้างอิงสำหรับการเดินสายชั้นบนสุด

เลเยอร์สัญญาณทั้งหมดอยู่ติดกับระนาบพื้นให้มากที่สุด

หลีกเลี่ยงการชิดกันโดยตรงระหว่างชั้นสัญญาณสองชั้นให้ไกลที่สุด

แหล่งจ่ายไฟหลักควรอยู่ติดกันมากที่สุด

คำนึงถึงสมมาตรของโครงสร้างลามิเนต

For the layer layout of the motherboard, it is difficult for the existing motherboard to control the parallel long-distance wiring, and the working frequency of the board level is above 50MHZ

(สำหรับเงื่อนไขที่ต่ำกว่า 50 เมกะเฮิรตซ์ โปรดอ้างอิงและผ่อนปรนให้เหมาะสม) แนะนำให้ใช้หลักการจัดวาง:

พื้นผิวส่วนประกอบและพื้นผิวเชื่อมเป็นระนาบพื้นสมบูรณ์ (ชีลด์)

ไม่มีชั้นเดินสายแบบขนานที่อยู่ติดกัน

เลเยอร์สัญญาณทั้งหมดอยู่ติดกับระนาบพื้นให้มากที่สุด

สัญญาณหลักอยู่ติดกับการก่อตัวและไม่ข้ามเขตการแบ่งส่วน