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通過PCB設(shè)計實現(xiàn)阻抗控制的方法

發(fā)布時間:2019-03-14 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】沒有阻抗控制的話,將引發(fā)相當大的信號反射和信號失真,導(dǎo)致設(shè)計失敗。常見的信號,如PCI總線、PCI-E總線、USB、以太網(wǎng)、DDR內(nèi)存、LVDS信號等,均需要進行阻抗控制。阻抗控制最終需要通過PCB設(shè)計實現(xiàn),對PCB板工藝也提出更高要求,經(jīng)過與PCB廠的溝通,并結(jié)合EDA軟件的使用,按照信號完整性要求去控制走線的阻抗。
 
不同的走線方式都是可以通過計算得到對應(yīng)的阻抗值。
 
微帶線(microstrip line)
 
•它由一根帶狀導(dǎo)線與地平面構(gòu)成,中間是電介質(zhì)。如果電介質(zhì)的介電常數(shù)、線的寬度、及其與地平面的距離是可控的,則它的特性阻抗也是可控的,其精確度將在±5%之內(nèi)。
 
 
帶狀線(stripline)
 
帶狀線就是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶。如果線的厚度和寬度,介質(zhì)的介電常數(shù),以及兩層接地平面的距離都是可控的,則線的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之內(nèi)。
 
 
多層板的結(jié)構(gòu):
 
為了很好地對PCB進行阻抗控制,首先要了解PCB的結(jié)構(gòu):
通常我們所說的多層板是由芯板和半固化片互相層疊壓合而成的,芯板是一種硬質(zhì)的、有特定厚度的、兩面包銅的板材,是構(gòu)成印制板的基礎(chǔ)材料。而半固化片構(gòu)成所謂的浸潤層,起到粘合芯板的作用,雖然也有一定的初始厚度,但是在壓制過程中其厚度會發(fā)生一些變化。
 
通常多層板最外面的兩個介質(zhì)層都是浸潤層,在這兩層的外面使用單獨的銅箔層作為外層銅箔。外層銅箔和內(nèi)層銅箔的原始厚度規(guī)格,一般有0.5OZ、1OZ、2OZ(1OZ約為35um或1.4mil)三種,但經(jīng)過一系列表面處理后,外層銅箔的最終厚度一般會增加將近1OZ左右。內(nèi)層銅箔即為芯板兩面的包銅,其最終厚度與原始厚度相差很小,但由于蝕刻的原因,一般會減少幾個um。
 
多層板的最外層是阻焊層,就是我們常說的“綠油”,當然它也可以是黃色或者其它顏色。阻焊層的厚度一般不太容易準確確定,在表面無銅箔的區(qū)域比有銅箔的區(qū)域要稍厚一些,但因為缺少了銅箔的厚度,所以銅箔還是顯得更突出,當我們用手指觸摸印制板表面時就能感覺到。
 
當制作某一特定厚度的印制板時,一方面要求合理地選擇各種材料的參數(shù),另一方面,半固化片最終成型厚度也會比初始厚度小一些。下面是一個典型的6層板疊層結(jié)構(gòu):
 
 
PCB的參數(shù):
不同的印制板廠,PCB的參數(shù)會有細微的差異,通過與電路板廠技術(shù)支持的溝通,得到該廠的一些參數(shù)數(shù)據(jù):
  
表層銅箔:
可以使用的表層銅箔材料厚度有三種:12um、18um和35um。加工完成后的最終厚度大約是44um、50um和67um。
  
芯板:我們常用的板材是S1141A,標準的FR-4,兩面包銅,可選用的規(guī)格可與廠家聯(lián)系確定。
  
半固化片:
規(guī)格(原始厚度)有7628(0.185mm),2116(0.105mm),1080(0.075mm),3313(0.095mm ),實際壓制完成后的厚度通常會比原始值小10-15um左右。同一個浸潤層最多可以使用3個半固化片,而且3個半固化片的厚度不能都相同,最少可以只用一個半固化片,但有的廠家要求必須至少使用兩個。如果半固化片的厚度不夠,可以把芯板兩面的銅箔蝕刻掉,再在兩面用半固化片粘連,這樣可以實現(xiàn)較厚的浸潤層。
  
阻焊層:
銅箔上面的阻焊層厚度C2≈8-10um,表面無銅箔區(qū)域的阻焊層厚度C1根據(jù)表面銅厚的不同而不同,當表面銅厚為45um時C1≈13-15um,當表面銅厚為70um時C1≈17-18um。
  
導(dǎo)線橫截面:
我們會以為導(dǎo)線的橫截面是一個矩形,但實際上卻是一個梯形。以TOP層為例,當銅箔厚度為1OZ時,梯形的上底邊比下底邊短1MIL。比如線寬5MIL,那么其上底邊約4MIL,下底邊5MIL。上下底邊的差異和銅厚有關(guān),下表是不同情況下梯形上下底的關(guān)系。
 
 
介電常數(shù):半固化片的介電常數(shù)與厚度有關(guān),下表為不同型號的半固化片厚度和介電常數(shù)參數(shù):
 
 
板材的介電常數(shù)與其所用的樹脂材料有關(guān),F(xiàn)R4板材其介電常數(shù)為4.2—4.7,并且隨著頻率的增加會減小。
  
介質(zhì)損耗因數(shù):電介質(zhì)材料在交變電場作用下,由于發(fā)熱而消耗的能量稱之謂介質(zhì)損耗,通常以介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ表示。S1141A的典型值為0.015。
  
能確保加工的最小線寬和線距:4mil/4mil。
 
阻抗計算的工具簡介:
當我們了解了多層板的結(jié)構(gòu)并掌握了所需要的參數(shù)后,就可以通過EDA軟件來計算阻抗。可以使用Allegro來計算,但這里向大家推薦另一個工具Polar SI9000,這是一個很好的計算特征阻抗的工具,現(xiàn)在很多印制板廠都在用這個軟件。
  
無論是差分線還是單端線,當計算內(nèi)層信號的特征阻抗時,你會發(fā)現(xiàn)Polar SI9000的計算結(jié)果與Allegro僅存在著微小的差距,這跟一些細節(jié)上的處理有關(guān),比如說導(dǎo)線橫截面的形狀。但如果是計算表層信號的特征阻抗,我建議你選擇Coated模型,而不是Surface模型,因為這類模型考慮了阻焊層的存在,所以結(jié)果會更準確。下圖是用Polar SI9000計算在考慮阻焊層的情況下表層差分線阻抗的部分截圖:
 
 
由于阻焊層的厚度不易控制,所以也可以根據(jù)板廠的建議,使用一個近似的辦法:在Surface模型計算的結(jié)果上減去一個特定的值,建議差分阻抗減去8歐姆,單端阻抗減去2歐姆。
 
差分對走線的PCB要求
(1)確定走線模式、參數(shù)及阻抗計算。差分對走線分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式兩種,通過合理設(shè)置參數(shù),阻抗可利用相關(guān)阻抗計算軟件(如POLAR-SI9000)計算也可利用阻抗計算公式計算。
 
(2)走平行等距線。確定走線線寬及間距,在走線時要嚴格按照計算出的線寬和間距,兩線間距要一直保持不變,也就是要保持平行。平行的方式有兩種: 一種為兩條線走在同一線層(side-by-side),另一種為兩條線走在上下相兩層(over-under)。一般盡量避免使用后者即層間差分信號, 因為在PCB板的實際加工過程中,由于層疊之間的層壓對準精度大大低于同層蝕刻精度,以及層壓過程中的介質(zhì)流失,不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度, 會造成層間差分對的差分阻抗變化。困此建議盡量使用同層內(nèi)的差分。
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