基于PCB设计的阻抗控制

21
10月

如果没有阻抗控制，会造成相当大的信号反射和失真，从而导致设计失败。常见的信号，如PCI总线、PCI-E总线、USB、以太网、DDR内存、LVDS信号等，都需要阻抗控制。阻抗控制最终需要通过 PCB 设计，这也对PCB板技术提出了更高的要求。与PCB厂沟通后，结合EDA软件的使用，根据信号完整性的要求控制布线阻抗。

可以计算出不同的接线方式，得到相应的阻抗值。

微带线

它由一条带接地层的导线和中间的电介质组成。如果介电常数、线宽、离地平面距离可控，则其特性阻抗可控，精度在±5%以内。

基于PCB设计的阻抗控制

带状线

带状线是位于两个导电平面之间电介质中间的一条铜带。如果线路的粗细、介质的介电常数、两层地平面之间的距离可控，则线路的特征阻抗可控，精度在10%以内。

基于PCB设计的阻抗控制

多层板结构：

为了很好地控制PCB阻抗，需要了解PCB的结构：

通常我们所说的多层板是由芯板和半固化片相互层压而成。芯板是一块坚硬的、特定厚度的、两面包的铜板，它是印制板的基本材料。而半固化片构成所谓的渗透层，起到粘合芯板的作用，虽然有一定的初始厚度，但在压制过程中其厚度会发生一些变化。

通常多层的最外面的两个介电层是润湿层，在这两层的外侧使用单独的铜箔层作为外层铜箔。外层铜箔和内层铜箔的原始厚度规格一般为0.5oz、1OZ、2OZ（1OZ约为35um或1.4mil），但经过一系列的表面处理后，外层铜箔的最终厚度一般会增加约1盎司。内层铜箔是覆盖在芯板两侧的铜箔。最终的厚度与原来的厚度相差不大，但由于蚀刻的原因，一般会减少几个um。

多层板的最外层是阻焊层，也就是我们常说的“绿油”，当然也可以是黄色或者其他颜色。阻焊层的厚度一般不容易准确确定。表面没有铜箔的区域比有铜箔的区域稍厚，但是由于铜箔厚度不足，所以铜箔还是比较突出的，当我们用手指触摸印制板表面时可以感觉到。

在制作特定厚度的印制板时，一方面需要合理选择材料参数，另一方面，半固化板的最终厚度会小于初始厚度。下面是一个典型的6层层叠结构：

基于PCB设计的阻抗控制

印刷电路板参数：

不同PCB厂PCB参数略有差异。通过与线路板厂技术支持的沟通，我们得到了该厂的一些参数数据：

表面铜箔：

可以使用三种厚度的铜箔：12um、18um和35um。精加工后的最终厚度约为44um、50um和67um。

芯板：S1141A，标准FR-4，常用两块覆铜板。可选规格可通过联系制造商确定。

半固化片：

规格（原厚度）有7628（0.185mm）、2116（0.105mm）、1080（0.075mm）、3313（0.095mm）。压制后的实际厚度通常比原值小10-15um左右。同一个渗透层最多可以使用3片半固化片，3片半固化片的厚度不能相同，至少可以使用XNUMX片半固化片，但有些厂家必须至少使用XNUMX片. 如果半固化片的厚度不够，可以先将芯板两面的铜箔蚀刻掉，然后再将半固化片双面粘合，这样可以得到更厚的渗透层。达到了。

横断面：

我们会认为电线的横截面是一个矩形，但它实际上是一个梯形。以TOP层为例，当铜箔厚度为1OZ时，梯形的上底边比下底边短1MIL。例如，如果线宽为5MIL，则顶边和底边约为4MIL，底边和底边约为5MIL。顶部和底部边缘之间的差异与铜厚有关。下表显示了不同条件下梯形顶部和底部的关系。

基于PCB设计的阻抗控制

介电常数：半固化片的介电常数与厚度有关。下表显示了不同类型半固化片的厚度和介电常数参数：

基于PCB设计的阻抗控制

板的介电常数与所用的树脂材料有关。 FR4板的介电常数为4.2—4.7，随着频率的增加而减小。

介电损耗因数：介电材料在交变电场作用下，因发热和能量消耗而产生的损耗称为介电损耗，通常用介电损耗因数Tanδ表示。 S1141A 的典型值为 0.015。

保证加工的最小线宽和线距：4mil/4mil。

阻抗计算工具介绍：

当我们了解了多层板的结构，掌握了所需的参数后，就可以通过EDA软件计算出阻抗。你可以用Allegro来做这个，但是我推荐Polar SI9000，它是计算特征阻抗的好工具，现在很多PCB厂都在使用。

在计算差分线和单端线的内部信号的特征阻抗时，您会发现Polar SI9000 和Allegro 之间仅因某些细节（例如导线横截面的形状）存在细微差别。但是，如果是计算Surface信号的特征阻抗，我建议你选择Coated模型而不是Surface模型，因为这种模型考虑了阻焊层的存在，所以结果会更准确。以下是使用 Polar SI9000 计算的考虑阻焊层的表面差分线路阻抗的部分截图：

由于阻焊层的厚度不容易控制，因此也可以使用近似方法，如电路板制造商推荐的：从表面模型计算中减去特定值。建议差分阻抗负8欧，单端阻抗负2欧。

对布线的差分 PCB 要求

(1)确定接线方式、参数和阻抗计算。线路走线有两种差分模式：外层微带线差分模式和内层带状线差分模式。阻抗可以通过相关的阻抗计算软件（如POLAR-SI9000）或阻抗计算公式通过合理的参数设置来计算。

(2) 平行等距线。确定线宽和间距，布线时严格按照计算出的线宽和间距。两条线之间的间距必须始终保持不变，即保持平行。平行有两种方式：一种是两条线走在同一个并排层，另一种是两条线走在上层。一般尽量避免使用层间差异信号，即因为在实际PCB加工过程中，由于级联叠层对位精度远低于规定的蚀刻精度，并且在叠层过程中存在介电损耗，不能保证差线间距等于层间电介质的厚度，会引起层间差值的阻抗变化。建议尽量使用同一层内的差异。