[技术文章]高速PCB设计中的阻抗控制 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具 0楼发表于: 2018-07-13

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没有阻抗控制的话，将引发相当大的信号反射和信号失真，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，均需要进行阻抗控制。阻抗控制最终需要通过PCB设计实现，对PCB板工艺也提出更高要求，经过与PCB厂的沟通，并结合EDA软件的使用，按照信号完整性要求去控制走线的阻抗。
不同的走线方式都是可以通过计算得到对应的阻抗值。
微带线（microstrip line）
•它由一根带状导线与地平面构成，中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的，则它的特性阻抗也是可控的，其精确度将在±5％之内。

带状线（stripline）
带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度，介质的介电常数，以及两层接地平面的距离都是可控的，则线的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之内。

多层板的结构：
为了很好地对PCB进行阻抗控制，首先要了解PCB的结构：
通常我们所说的多层板是由芯板和半固化片互相层叠压合而成的，芯板是一种硬质的、有特定厚度的、两面包铜的板材，是构成印制板的基础材料。而半固化片构成所谓的浸润层，起到粘合芯板的作用，虽然也有一定的初始厚度，但是在压制过程中其厚度会发生一些变化。
通常多层板最外面的两个介质层都是浸润层，在这两层的外面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，一般有0.5OZ、1OZ、2OZ（1OZ约为35um或1.4mil）三种，但经过一系列表面处理后，外层铜箔的最终厚度一般会增加将近1OZ左右。内层铜箔即为芯板两面的包铜，其最终厚度与原始厚度相差很小，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，就是我们常说的“绿油”，当然它也可以是黄色或者其它颜色。阻焊层的厚度一般不太容易准确确定，在表面无铜箔的区域比有铜箔的区域要稍厚一些，但因为缺少了铜箔的厚度，所以铜箔还是显得更突出，当我们用手指触摸印制板表面时就能感觉到。
当制作某一特定厚度的印制板时，一方面要求合理地选择各种材料的参数，另一方面，半固化片最终成型厚度也会比初始厚度小一些。下面是一个典型的6层板叠层结构：

PCB的参数：
不同的印制板厂，PCB的参数会有细微的差异，通过与电路板厂技术支持的沟通，得到该厂的一些参数数据：
表层铜箔：可以使用的表层铜箔材料厚度有三种：12um、18um和35um。加工完成后的最终厚度大约是44um、50um和67um。
芯板：我们常用的板材是S1141A，标准的FR-4，两面包铜，可选用的规格可与厂家联系确定。
半固化片：
规格（原始厚度）有7628（0.185mm），2116（0.105mm），1080（0.075mm），3313（0.095mm ），实际压制完成后的厚度通常会比原始值小10-15um左右。同一个浸润层最多可以使用3个半固化片，而且3个半固化片的厚度不能都相同，最少可以只用一个半固化片，但有的厂家要求必须至少使用两个。如果半固化片的厚度不够，可以把芯板两面的铜箔蚀刻掉，再在两面用半固化片粘连，这样可以实现较厚的浸润层。
阻焊层：铜箔上面的阻焊层厚度C2≈8-10um，表面无铜箔区域的阻焊层厚度C1根据表面铜厚的不同而不同，当表面铜厚为45um时C1≈13-15um，当表面铜厚为70um时C1≈17-18um。
导线横截面：我们会以为导线的横截面是一个矩形，但实际上却是一个梯形。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。比如线宽5MIL，那么其上底边约4MIL，下底边5MIL。上下底边的差异和铜厚有关，下表是不同情况下梯形上下底的关系。

介电常数：半固化片的介电常数与厚度有关，下表为不同型号的半固化片厚度和介电常数参数：

板材的介电常数与其所用的树脂材料有关，FR4板材其介电常数为4.2—4.7，并且随着频率的增加会减小。
介质损耗因数：电介质材料在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗，通常以介质损耗因数tanδ表示。S1141A的典型值为0.015。
能确保加工的最小线宽和线距：4mil/4mil。
阻抗计算的工具简介：
当我们了解了多层板的结构并掌握了所需要的参数后，就可以通过EDA软件来计算阻抗。可以使用Allegro来计算，但这里向大家推荐另一个工具Polar SI9000，这是一个很好的计算特征阻抗的工具，现在很多印制板厂都在用这个软件。
无论是差分线还是单端线，当计算内层信号的特征阻抗时，你会发现Polar SI9000的计算结果与Allegro仅存在着微小的差距，这跟一些细节上的处理有关，比如说导线横截面的形状。但如果是计算表层信号的特征阻抗，我建议你选择Coated模型，而不是Surface模型，因为这类模型考虑了阻焊层的存在，所以结果会更准确。下图是用Polar SI9000计算在考虑阻焊层的情况下表层差分线阻抗的部分截图：

由于阻焊层的厚度不易控制，所以也可以根据板厂的建议，使用一个近似的办法：在Surface模型计算的结果上减去一个特定的值，建议差分阻抗减去8欧姆，单端阻抗减去2欧姆。
差分对走线的PCB要求
（1）确定走线模式、参数及阻抗计算。差分对走线分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式两种，通过合理设置参数，阻抗可利用相关阻抗计算软件(如POLAR-SI9000)计算也可利用阻抗计算公式计算。
（2）走平行等距线。确定走线线宽及间距，在走线时要严格按照计算出的线宽和间距，两线间距要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种：一种为两条线走在同一线层(side-by-side)，另一种为两条线走在上下相两层(over-under)。一般尽量避免使用后者即层间差分信号，因为在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间介质厚度，会造成层间差分对的差分阻抗变化。困此建议尽量使用同层内的差分。