วิธีการควบคุม PCB อิมพีแดนซ์?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. สัญญาณทั่วไป เช่น บัส PCI, บัส PCI-E, USB, อีเทอร์เน็ต, หน่วยความจำ DDR, สัญญาณ LVDS เป็นต้น ทั้งหมดนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์ 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.

สามารถคำนวณวิธีการเดินสายต่างๆ เพื่อให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์ที่สอดคล้องกัน

Microstrip lines

• ประกอบด้วยแถบลวดที่มีระนาบพื้นและไดอิเล็กทริกอยู่ตรงกลาง หากสามารถควบคุมค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความกว้างของเส้น และระยะห่างจากระนาบพื้นได้ อิมพีแดนซ์เฉพาะก็จะสามารถควบคุมได้ และความแม่นยำจะอยู่ภายใน ± 5%

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Stripline

เส้นริบบอนคือแถบทองแดงที่อยู่ตรงกลางไดอิเล็กตริกระหว่างระนาบนำไฟฟ้าสองระนาบ 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%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The structure of multi-layer board:

เพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ของ PCB ได้ดี จำเป็นต้องเข้าใจโครงสร้างของ PCB:

โดยปกติสิ่งที่เราเรียกว่ากระดานหลายชั้นประกอบด้วยแผ่นแกนและแผ่นกึ่งแข็งเคลือบเข้าด้วยกัน กระดานหลักเป็นแผ่นทองแดงขนมปังสองแผ่นที่แข็ง ความหนาเฉพาะ ซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานของแผ่นพิมพ์ 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.

โดยปกติชั้นอิเล็กทริกสองชั้นนอกสุดของหลายชั้นจะเป็นชั้นเปียก และชั้นฟอยล์ทองแดงที่แยกจากกันจะถูกใช้ที่ด้านนอกของสองชั้นนี้เป็นฟอยล์ทองแดงด้านนอก ข้อกำหนดความหนาดั้งเดิมของฟอยล์ทองแดงชั้นนอกและฟอยล์ทองแดงชั้นในโดยทั่วไปคือ 0.5oz, 1OZ, 2OZ (1OZ อยู่ที่ประมาณ 35um หรือ 1.4mil) แต่หลังจากผ่านการเคลือบหลายครั้ง ความหนาขั้นสุดท้ายของฟอยล์ทองแดงด้านนอกจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1ออนซ์ ฟอยล์ทองแดงด้านในเป็นทองแดงที่หุ้มทั้งสองด้านของแผ่นแกน ความหนาขั้นสุดท้ายแตกต่างจากความหนาเดิมเพียงเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปจะลดลงหลาย um เนื่องจากการกัดเซาะ

ชั้นนอกสุดของแผ่นหลายชั้นคือชั้นต้านทานการเชื่อม ซึ่งเรามักเรียกกันว่า “น้ำมันสีเขียว” แน่นอนว่ามันอาจเป็นสีเหลืองหรือสีอื่นๆ ก็ได้ 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. ต่อไปนี้เป็นโครงสร้างลามิเนต 6 ชั้นทั่วไป:

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:

ฟอยล์ทองแดงพื้นผิว:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. ความหนาขั้นสุดท้ายหลังการตกแต่งคือประมาณ 44um, 50um และ 67um

แผ่นหลัก: S1141A, FR-4 มาตรฐาน, แผ่นทองแดงชุบเกล็ดขนมปังสองแผ่นมักใช้ สามารถกำหนดข้อกำหนดเพิ่มเติมได้โดยติดต่อผู้ผลิต

Semi-cured tablet:

ข้อมูลจำเพาะ (ความหนาดั้งเดิม) คือ 7628 (0.185 มม.), 2116 (0.105 มม.), 1080 (0.075 มม.), 3313 (0.095 มม.) ความหนาที่แท้จริงหลังจากการกดมักจะน้อยกว่าค่าเดิมประมาณ 10-15um สามารถใช้ยาเม็ดกึ่งบ่มได้สูงสุด 3 เม็ดสำหรับชั้นการแทรกซึมเดียวกัน และความหนาของยาเม็ดกึ่งบ่ม 3 เม็ดต้องไม่เท่ากัน สามารถใช้ยาเม็ดที่บ่มอย่างน้อยครึ่งหนึ่งได้ แต่ผู้ผลิตบางรายต้องใช้อย่างน้อย XNUMX เม็ด . หากความหนาของชิ้นงานกึ่งบ่มไม่เพียงพอ สามารถแกะสลักฟอยล์ทองแดงทั้งสองด้านของแผ่นแกนออก แล้วจึงเชื่อมชิ้นส่วนกึ่งบ่มได้ทั้งสองด้าน เพื่อให้ชั้นแทรกซึมหนาขึ้นได้ ประสบความสำเร็จ

ชั้นเชื่อมความต้านทาน:

ความหนาของชั้นต้านทานการบัดกรีบนฟอยล์ทองแดงคือ C2≈8-10um ความหนาของชั้นต้านทานประสานบนพื้นผิวที่ไม่มีฟอยล์ทองแดงคือ C1 ซึ่งแตกต่างกันไปตามความหนาของทองแดงบนพื้นผิว เมื่อความหนาของทองแดงบนพื้นผิวคือ 45um, C1≈13-15um และเมื่อความหนาของทองแดงบนพื้นผิวคือ 70um, C1≈17-18um

ส่วนขวาง:

เราคิดว่าส่วนตัดขวางของเส้นลวดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า แต่จริงๆ แล้วมันเป็นสี่เหลี่ยมคางหมู ยกตัวอย่างชั้น TOP เมื่อความหนาของฟอยล์ทองแดงเท่ากับ 1OZ ขอบล่างบนของสี่เหลี่ยมคางหมูจะสั้นกว่าขอบล่างล่าง 1MIL ตัวอย่างเช่น หากความกว้างของเส้นคือ 5MIL ด้านบนและด้านล่างจะอยู่ที่ประมาณ 4MIL และด้านล่างและด้านล่างจะอยู่ที่ประมาณ 5MIL ความแตกต่างระหว่างขอบบนและขอบล่างนั้นสัมพันธ์กับความหนาของทองแดง ตารางต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างด้านบนและด้านล่างของสี่เหลี่ยมคางหมูภายใต้สภาวะต่างๆ

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Permittivity: ความเปราะบางของแผ่นกึ่งบ่มนั้นสัมพันธ์กับความหนา ตารางต่อไปนี้แสดงพารามิเตอร์ความหนาและการอนุญาติของแผ่นกึ่งแห้งประเภทต่างๆ:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเพลตสัมพันธ์กับวัสดุเรซินที่ใช้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเพลต FR4 คือ 4.2 — 4.7 และลดลงตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น

ปัจจัยการสูญเสียอิเล็กทริก: วัสดุอิเล็กทริกภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าสลับเนื่องจากความร้อนและการใช้พลังงานเรียกว่าการสูญเสียอิเล็กทริกซึ่งมักจะแสดงโดยปัจจัยการสูญเสียอิเล็กทริก Tan δ ค่าทั่วไปสำหรับ S1141A คือ 0.015

ความกว้างของเส้นขั้นต่ำและระยะห่างระหว่างเส้นเพื่อให้แน่ใจว่าการตัดเฉือน: 4mil/4mil

แนะนำเครื่องมือคำนวณอิมพีแดนซ์:

เมื่อเราเข้าใจโครงสร้างของบอร์ดหลายชั้นและเข้าใจพารามิเตอร์ที่จำเป็นแล้ว เราสามารถคำนวณอิมพีแดนซ์ผ่านซอฟต์แวร์ EDA คุณสามารถใช้ Allegro ทำเช่นนี้ได้ แต่ฉันแนะนำ Polar SI9000 ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ดีสำหรับการคำนวณอิมพีแดนซ์เฉพาะ และตอนนี้มีโรงงาน PCB หลายแห่งใช้อยู่

เมื่อคำนวณอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสัญญาณภายในของทั้งสายดิฟเฟอเรนเชียลและสายเทอร์มินัลเดี่ยว คุณจะพบความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างโพลาร์ SI9000 และ Allegro เนื่องจากรายละเอียดบางอย่าง เช่น รูปร่างของส่วนตัดขวางของเส้นลวด อย่างไรก็ตาม หากจะคำนวณอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสัญญาณ Surface ผมแนะนำให้คุณเลือกรุ่นเคลือบแทนรุ่น Surface เพราะรุ่นดังกล่าวคำนึงถึงการมีอยู่ของชั้นต้านทานการบัดกรีด้วย ดังนั้นผลลัพธ์จะแม่นยำยิ่งขึ้น ต่อไปนี้คือภาพหน้าจอบางส่วนของอิมพีแดนซ์ของเส้นส่วนต่างของพื้นผิวที่คำนวณด้วย Polar SI9000 โดยพิจารณาจากชั้นต้านทานการบัดกรี:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

เนื่องจากความหนาของชั้นต้านทานการบัดกรีไม่สามารถควบคุมได้ง่าย จึงสามารถใช้วิธีการโดยประมาณตามที่ผู้ผลิตบอร์ดแนะนำ: ลบค่าเฉพาะออกจากการคำนวณแบบจำลองพื้นผิว ขอแนะนำว่าอิมพีแดนซ์ดิฟเฟอเรนเชียลเป็นลบ 8 โอห์ม และอิมพีแดนซ์ปลายด้านเดียวเป็นลบ 2 โอห์ม

ข้อกำหนด PCB ที่แตกต่างกันสำหรับการเดินสาย

(1) กำหนดโหมดการเดินสาย พารามิเตอร์ และการคำนวณอิมพีแดนซ์ มีโหมดความแตกต่างสองแบบสำหรับการกำหนดเส้นทางสาย: โหมดความแตกต่างของเส้นไมโครสตริปชั้นนอกและโหมดความแตกต่างของเส้นแถบชั้นใน สามารถคำนวณอิมพีแดนซ์โดยใช้ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้อง (เช่น POLAR-SI9000) หรือสูตรคำนวณอิมพีแดนซ์ผ่านการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสม

(2) เส้นมีมิติเท่ากันคู่ขนาน กำหนดความกว้างและระยะห่างของเส้น และปฏิบัติตามความกว้างและระยะห่างของเส้นที่คำนวณไว้อย่างเคร่งครัดเมื่อกำหนดเส้นทาง ระยะห่างระหว่างสองบรรทัดจะต้องไม่เปลี่ยนแปลงเสมอ กล่าวคือ ให้ขนานกัน 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. โดยทั่วไปพยายามหลีกเลี่ยงการใช้สัญญาณความแตกต่างระหว่างชั้น กล่าวคือ เนื่องจากในการประมวลผลจริงของ PCB ในกระบวนการ เนื่องจากความถูกต้องของการจัดตำแหน่งลามิเนตแบบเรียงซ้อนนั้นต่ำกว่าที่ให้ไว้ระหว่างความแม่นยำในการแกะสลัก และในกระบวนการสูญเสียอิเล็กทริกแบบเคลือบ ไม่สามารถรับประกันความแตกต่างของระยะห่างบรรทัดจะเท่ากับความหนาของไดอิเล็กตริก interlayer จะทำให้ความแตกต่างระหว่างชั้นของความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ ขอแนะนำให้ใช้ความแตกต่างภายในเลเยอร์เดียวกันให้มากที่สุด