Як контролювати Друкована плата імпеданс?

Without impedance control, considerable signal reflection and distortion will be caused, resulting in design failure. Common signals, such as PCI bus, PCI-E bus, USB, Ethernet, DDR memory, LVDS signal, etc., all need impedance control. 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.

Для отримання відповідного значення імпедансу можна розрахувати різні методи підключення.

Microstrip lines

• Він складається з смуги дроту з площиною заземлення і діелектрика посередині. Якщо діелектрична проникність, ширина лінії та її відстань від площини заземлення регулюються, то її характерний опір можна контролювати, і точність буде в межах ± 5%.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Смуга

Лінія стрічки – це смужка міді посередині діелектрика між двома провідними площинами. 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:

Щоб добре контролювати опір друкованої плати, необхідно зрозуміти структуру друкованої плати:

Зазвичай те, що ми називаємо багатошаровою дошкою, складається з серцевини та напівтвердого листа, ламінованих між собою. Основна дошка – це тверда, специфічна товщина, дві хлібні мідні пластини, які є основним матеріалом друкованої дошки. 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.

Зазвичай два зовнішніх шари діелектрика багатошарового шару є змоченими шарами, і окремі шари мідної фольги використовуються на зовнішній стороні цих двох шарів як зовнішня мідна фольга. Початкова специфікація товщини зовнішньої мідної фольги та внутрішньої мідної фольги, як правило, становить 0.5 унції, 1 унцій, 2 унцій (1 унція становить приблизно 35 мкм або 1.4 міліметра), але після серії обробки поверхні остаточна товщина зовнішньої мідної фольги зазвичай збільшиться приблизно на 1 унц. Внутрішня мідна фольга являє собою мідне покриття з обох сторін пластини сердечника. Кінцева товщина мало відрізняється від початкової товщини, але вона зазвичай зменшується на кілька мкм через травлення.

The outermost layer of the multilayer board is the welding resistance layer, which is what we often say “green oil”, of course, it can also be yellow or other colors. 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.

Коли виготовляється певна товщина друкованої дошки, з одного боку, потрібен розумний вибір параметрів матеріалу, з іншого боку, кінцева товщина напівтвердого листа буде меншою за початкову товщину. The following is a typical 6-layer laminated structure:

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:

Поверхнева мідна фольга:

There are three thicknesses of copper foil that can be used: 12um, 18um and 35um. Остаточна товщина після оздоблення становить приблизно 44 мкм, 50 мкм та 67 мкм.

Core plate: S1141A, standard FR-4, two breaded copper plates are commonly used. The optional specifications can be determined by contacting the manufacturer.

Semi-cured tablet:

Specifications (original thickness) are 7628 (0.185mm), 2116 (0.105mm), 1080 (0.075mm), 3313 (0.095mm). The actual thickness after pressing is usually about 10-15um less than the original value. Для одного просочувального шару можна використовувати максимум 3 напівтверділі таблетки, а товщина 3 напівтверділих таблеток не може бути однаковою, можна використовувати принаймні одну напівтверділі таблетки, але деякі виробники повинні використовувати принаймні дві . If the thickness of the semi-cured piece is not enough, the copper foil on both sides of the core plate can be etched off, and then the semi-cured piece can be bonded on both sides, so that a thicker infiltration layer can be achieved.

Resistance welding layer:

Товщина шару опору припою на мідній фользі становить C2≈8-10 мкм. Товщина шару опору припою на поверхні без мідної фольги дорівнює С1, що залежить від товщини міді на поверхні. Коли товщина міді на поверхні становить 45 мкм, C1≈13-15 мкм, а коли товщина міді на поверхні становить 70 мкм, C1≈17-18 мкм.

Traverse section:

Ми могли б подумати, що перетин дроту – це прямокутник, але насправді це трапеція. Taking the TOP layer as an example, when the thickness of copper foil is 1OZ, the upper bottom edge of trapezoid is 1MIL shorter than the lower bottom edge. Наприклад, якщо ширина лінії 5MIL, то верхня та нижня сторони становлять приблизно 4MIL, а нижня та нижня сторони – приблизно 5MIL. The difference between top and bottom edges is related to copper thickness. The following table shows the relationship between top and bottom of trapezoid under different conditions.

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Діелектрична проникність: Діелектрична проникність напівтвердих листів залежить від товщини. У наступній таблиці наведені параметри товщини та проникності різних типів напівтвердих листів:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

The dielectric constant of the plate is related to the resin material used. The dielectric constant of FR4 plate is 4.2 — 4.7, and decreases with the increase of frequency.

Коефіцієнт діелектричних втрат: діелектричні матеріали під дією змінного електричного поля через споживання тепла та енергії називаються діелектричними втратами, зазвичай вираженими коефіцієнтом діелектричних втрат Tan δ. Типове значення для S1141A становить 0.015.

Мінімальна ширина лінії та міжрядковий інтервал для забезпечення обробки: 4мл/4мл.

Вступ до інструменту розрахунку опору:

Коли ми розуміємо структуру багатошарової плати та освоюємо необхідні параметри, ми можемо розрахувати опір за допомогою програмного забезпечення EDA. Ви можете використовувати Allegro для цього, але я рекомендую Polar SI9000, який є хорошим інструментом для розрахунку характеристичного опору і зараз використовується багатьма фабриками друкованих плат.

При обчисленні характерного опору внутрішнього сигналу як диференціальної лінії, так і однієї клемної лінії ви виявите лише невелику різницю між Polar SI9000 та Allegro через деякі деталі, наприклад, форму перетину дроту. Однак, якщо потрібно розрахувати характеристичний опір сигналу Surface, я пропоную вам вибрати модель з покриттям замість моделі Surface, оскільки такі моделі враховують наявність шару опору припою, тому результати будуть більш точними. The following is a partial screenshot of the surface differential line impedance calculated with Polar SI9000 considering the solder resistance layer:

What is impedance control how to perform impedance control on PCB

Оскільки товщину шару опору припою нелегко контролювати, також можна використовувати приблизний підхід, як рекомендує виробник плати: відняти конкретне значення з розрахунку моделі Surface. Рекомендується, щоб диференціальний опір був мінус 8 Ом, а опір одного кінця-мінус 2 Ом.

Диференціальні вимоги до друкованої плати для електропроводки

(1) Determine the wiring mode, parameters and impedance calculation. Існує два види режимів різниці для маршрутизації лінії: режим різниці ліній мікрополоскового зовнішнього шару та режим різниці ліній смуги внутрішнього шару. Імпеданс можна розрахувати за допомогою відповідного програмного забезпечення для розрахунку імпедансу (наприклад, POLAR-SI9000) або формули розрахунку імпедансу за допомогою розумного налаштування параметрів.

(2) Паралельні ізометричні лінії. Визначте ширину лінії та відстань між ними та чітко дотримуйтесь розрахованої ширини лінії та інтервалу під час маршрутизації. Відстань між двома лініями завжди має залишатися незмінним, тобто зберігати паралель. 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. Взагалі намагайтеся уникати використання різницевого сигналу між шарами, а саме тому, що при фактичній обробці друкованої плати в процесі, завдяки каскадному ламінуванню, точність вирівнювання значно нижча, ніж передбачена між точністю травлення, та в процесі ламінованих діелектричних втрат, не може гарантувати різницю міжрядкових інтервалів, рівну товщині міжшарового діелектрика, викличе різницю між шарами різниці зміни імпедансу. Рекомендується максимально використовувати різницю в межах одного шару.