หากไม่มีการควบคุมอิมพีแดนซ์ จะเกิดการสะท้อนและการบิดเบือนของสัญญาณอย่างมาก ส่งผลให้การออกแบบล้มเหลว สัญญาณทั่วไป เช่น บัส PCI, บัส PCI-E, USB, อีเทอร์เน็ต, หน่วยความจำ DDR, สัญญาณ LVDS เป็นต้น ทั้งหมดนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์ ในที่สุดการควบคุมอิมพีแดนซ์จะต้องรับรู้ผ่าน PCB การออกแบบซึ่งนำเสนอความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับเทคโนโลยีบอร์ด PCB หลังจากสื่อสารกับโรงงาน PCB และรวมกับการใช้ซอฟต์แวร์ EDA แล้ว อิมพีแดนซ์ของสายไฟจะถูกควบคุมตามข้อกำหนดของความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สามารถคำนวณวิธีการเดินสายต่างๆ เพื่อให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์ที่สอดคล้องกัน

เส้นไมโครสตริป

ประกอบด้วยแถบลวดที่มีระนาบพื้นและอิเล็กทริกอยู่ตรงกลาง หากสามารถควบคุมค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความกว้างของเส้น และระยะห่างจากระนาบพื้นได้ อิมพีแดนซ์เฉพาะก็จะสามารถควบคุมได้ และความแม่นยำจะอยู่ภายใน ± 5%

การควบคุมอิมพีแดนซ์ตามการออกแบบ PCB

Stripline

เส้นริบบอนคือแถบทองแดงที่อยู่ตรงกลางไดอิเล็กตริกระหว่างระนาบนำไฟฟ้าสองระนาบ หากสามารถควบคุมความหนาและความกว้างของเส้น ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลาง และระยะห่างระหว่างระนาบพื้นของสองชั้นได้ อิมพีแดนซ์เฉพาะของเส้นจะสามารถควบคุมได้ และความแม่นยำอยู่ภายใน 10%

การควบคุมอิมพีแดนซ์ตามการออกแบบ PCB

โครงสร้างของกระดานหลายชั้น:

เพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ของ PCB ได้ดี จำเป็นต้องเข้าใจโครงสร้างของ PCB:

โดยปกติสิ่งที่เราเรียกว่ากระดานหลายชั้นประกอบด้วยแผ่นแกนและแผ่นกึ่งแข็งเคลือบเข้าด้วยกัน กระดานหลักเป็นแผ่นทองแดงขนมปังสองแผ่นที่แข็ง ความหนาเฉพาะ ซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานของแผ่นพิมพ์ และชิ้นส่วนกึ่งชุบแข็งถือเป็นชั้นแทรกซึมที่เรียกว่ามีบทบาทในการยึดแผ่นแกนแม้ว่าจะมีความหนาเริ่มต้นอยู่บ้าง แต่ในกระบวนการกดความหนาจะเกิดการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง

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 ความหนาของชั้นต้านทานการบัดกรีโดยทั่วไปไม่ง่ายที่จะกำหนดอย่างแม่นยำ พื้นที่ที่ไม่มีฟอยล์ทองแดงบนพื้นผิวจะหนากว่าพื้นที่ที่มีฟอยล์ทองแดงเล็กน้อย แต่เนื่องจากขาดความหนาของฟอยล์ทองแดง ดังนั้นฟอยล์ทองแดงจึงยังคงโดดเด่นกว่า เมื่อเราสัมผัสพื้นผิวบอร์ดที่พิมพ์ด้วยนิ้วของเราจึงรู้สึกได้

เมื่อทำความหนาเฉพาะของแผ่นพิมพ์ ด้านหนึ่ง จำเป็นต้องมีการเลือกพารามิเตอร์วัสดุที่เหมาะสม ในทางกลับกัน ความหนาสุดท้ายของแผ่นกึ่งบ่มจะเล็กกว่าความหนาเริ่มต้น ต่อไปนี้เป็นโครงสร้างลามิเนต 6 ชั้นทั่วไป:

การควบคุมอิมพีแดนซ์ตามการออกแบบ PCB

พารามิเตอร์ PCB:

โรงงาน PCB ต่างๆ มีความแตกต่างกันเล็กน้อยในพารามิเตอร์ PCB ผ่านการสื่อสารกับฝ่ายสนับสนุนด้านเทคนิคของโรงงานแผงวงจร เราได้รับข้อมูลพารามิเตอร์บางอย่างของโรงงาน:

ฟอยล์ทองแดงพื้นผิว:

ฟอยล์ทองแดงมีความหนาสามแบบที่สามารถใช้ได้: 12um, 18um และ 35um ความหนาขั้นสุดท้ายหลังการตกแต่งคือประมาณ 44um, 50um และ 67um

แผ่นหลัก: S1141A, FR-4 มาตรฐาน, แผ่นทองแดงชุบเกล็ดขนมปังสองแผ่นมักใช้ สามารถกำหนดข้อกำหนดเพิ่มเติมได้โดยติดต่อผู้ผลิต

แท็บเล็ตกึ่งรักษา:

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

ส่วนขวาง:

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

การควบคุมอิมพีแดนซ์ตามการออกแบบ PCB

Permittivity: ความเปราะบางของแผ่นกึ่งบ่มนั้นสัมพันธ์กับความหนา ตารางต่อไปนี้แสดงพารามิเตอร์ความหนาและการอนุญาติของแผ่นกึ่งแห้งประเภทต่างๆ:

การควบคุมอิมพีแดนซ์ตามการออกแบบ 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:

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 มีสองวิธีในการขนานกัน: วิธีแรกคือเส้นสองเส้นเดินในเลเยอร์ที่อยู่เคียงข้างกัน และอีกวิธีหนึ่งคือเส้นสองเส้นเดินในเลเยอร์ที่อยู่เหนือ-ใต้ โดยทั่วไปพยายามหลีกเลี่ยงการใช้สัญญาณความแตกต่างระหว่างชั้น กล่าวคือ เนื่องจากในการประมวลผลจริงของ PCB ในกระบวนการ เนื่องจากความถูกต้องของการจัดตำแหน่งลามิเนตแบบเรียงซ้อนนั้นต่ำกว่าที่ให้ไว้ระหว่างความแม่นยำในการแกะสลัก และในกระบวนการสูญเสียอิเล็กทริกแบบเคลือบ ไม่สามารถรับประกันความแตกต่างของระยะห่างบรรทัดจะเท่ากับความหนาของไดอิเล็กตริก interlayer จะทำให้ความแตกต่างระหว่างชั้นของความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ ขอแนะนำให้ใช้ความแตกต่างภายในเลเยอร์เดียวกันให้มากที่สุด