PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中如何考慮阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)？
隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長(zhǎng)，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠(chǎng)商需要理解和控制 PCB 跡線(xiàn)的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線(xiàn)不再是簡(jiǎn)單的連接，而是傳輸線(xiàn)。6 [+ n4 @% G8 M: t* Z
: j" s: u% W( T- p- Z
阻抗控制* F4 W) {) w" y, J/ P
5 x# Z7 Z, A) A
阻抗控制（eImpedance Controling），線(xiàn)路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線(xiàn)路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線(xiàn)寬度等不同因素，將會(huì)造成阻抗值得變化，使其信號(hào)失真。故在高速線(xiàn)路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱(chēng)為“阻抗控制”。
PCB 跡線(xiàn)的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線(xiàn)的阻抗的因素主要有： 銅線(xiàn)的寬度、銅線(xiàn)的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤(pán)的厚度、地線(xiàn)的路徑、走線(xiàn)周邊的走線(xiàn)等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。* N6 ^' A+ o6 l& b
7 G4 B, F: O, } ]) x l
在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線(xiàn)路通常由一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)跡線(xiàn)、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線(xiàn)和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來(lái)構(gòu)建。但是，無(wú)論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：
信號(hào)跡線(xiàn)的寬度和厚度
跡線(xiàn)兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
/ R8 q5 N }" h8 R" H7 `8 D4 B9 y, N* |
跡線(xiàn)和板層的配置
. f6 H/ A- F2 M7 m, B# k
內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
% W0 m# d( s% F' J6 k0 D+ o; J
PCB傳輸線(xiàn)主要有兩種形式：微帶線(xiàn)（Microstrip）與帶狀線(xiàn)（Stripline）。, ^/ s: _; t- K& M
微帶線(xiàn)（Microstrip）：& b( [9 H9 b M" q: i
" w4 ~+ ?1 _7 B
微帶線(xiàn)是一根帶狀導(dǎo)線(xiàn)，指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn)，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù) Er 線(xiàn)路板的表面之上，以電源或接地層為參考。( b1 `0 @7 X3 Q! n$ m, b
! B$ j9 l" ^$ Z& D2 y- x' I
帶狀線(xiàn)（Stripline）：
帶狀線(xiàn)是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線(xiàn)，電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。具體的微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)有很多種，如覆膜微帶線(xiàn)等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。& g" _4 E; s4 V6 f) c
7 T9 k5 ]3 H$ a
用于計(jì)算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通常使用場(chǎng)求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專(zhuān)門(mén)的阻抗計(jì)算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：
對(duì)于W1、W2的說(shuō)明：' ]4 t- _% K( ^/ ]9 E9 Z- m
計(jì)算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類(lèi)推。
; m+ q6 I& }+ C" e9 ~. E3 T/ e
下面利用SI9000計(jì)算是否達(dá)到阻抗控制的要求：$ z4 w6 e6 y& d# A, ~. k" Y3 L2 z4 `
首先計(jì)算DDR數(shù)據(jù)線(xiàn)的單端阻抗控制：
% y2 w, h3 h1 T) `0 d
TOP層：銅厚為0.5OZ，走線(xiàn)寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation，如圖所示：
5 f0 o3 u; U& V5 w/ _- }# x
coating表示涂覆層，如果沒(méi)有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過(guò)阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。
: \7 m- K4 @, B) T- Y' Z. {
點(diǎn)擊Weight（oz）項(xiàng)，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線(xiàn)的厚度。6 O+ H* |* E' t5 p x$ P, G6 ]
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成，core其實(shí)也是PP類(lèi)型介質(zhì)，只不過(guò)他的兩面都覆有銅箔，而PP沒(méi)有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。' l6 L( D0 Z' p) y
+ k. O) Q" @! V! V# [$ p0 z# t
10、PCB疊層設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：
; | k: l8 A# K# \
（1）、翹曲問(wèn)題/ l/ L6 c; D( C) T1 j+ X' K2 M
" ^/ u7 H+ u5 I
PCB的疊層設(shè)計(jì)要保持對(duì)稱(chēng)，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對(duì)稱(chēng)，拿六層板來(lái)說(shuō)，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)翹曲。$ ]0 R4 E C* V+ v; y* ]% b
（2）、信號(hào)層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號(hào)層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。
0 V! P, e, g8 j( w. B8 {
（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號(hào)層，但建議不要多家電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。/ K% R6 r: G/ V7 _2 `
" O! O- K0 y$ D' [/ K1 s5 [" r
（4）、層的排布一般原則：+ f% J+ m8 l7 d1 ?5 \
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線(xiàn)提供參考平面；
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；8 q @& b0 M3 R2 C( c! H
0 y! c) W* A( S
主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；
1 c4 e0 O# a6 \5 V
兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。
對(duì)于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長(zhǎng)距離布線(xiàn)，對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ 以上的
* D( Y9 O8 Y% c+ R( ~
（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：* u0 G/ _. E! K3 |
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
, X: C/ ~7 W3 M: ~( `7 l
無(wú)相鄰平行布線(xiàn)層；, @# W3 H5 C1 e( ~( t
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。
: j" s: u% W( T- p- Z
在實(shí)際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過(guò)300Mhz時(shí)控制跡線(xiàn)阻抗。PCB 跡線(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號(hào)傳輸線(xiàn)路傳送時(shí)電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電 路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個(gè)概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
阻抗控制* F4 W) {) w" y, J/ P
5 x# Z7 Z, A) A
阻抗控制（eImpedance Controling），線(xiàn)路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線(xiàn)路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線(xiàn)寬度等不同因素，將會(huì)造成阻抗值得變化，使其信號(hào)失真。故在高速線(xiàn)路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱(chēng)為“阻抗控制”。
PCB 跡線(xiàn)的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線(xiàn)的阻抗的因素主要有： 銅線(xiàn)的寬度、銅線(xiàn)的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤(pán)的厚度、地線(xiàn)的路徑、走線(xiàn)周邊的走線(xiàn)等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。* N6 ^' A+ o6 l& b
7 G4 B, F: O, } ]) x l
在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線(xiàn)路通常由一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)跡線(xiàn)、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線(xiàn)和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來(lái)構(gòu)建。但是，無(wú)論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：
信號(hào)跡線(xiàn)的寬度和厚度
跡線(xiàn)兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
/ R8 q5 N }" h8 R" H7 `8 D4 B9 y, N* |
跡線(xiàn)和板層的配置
. f6 H/ A- F2 M7 m, B# k
內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
% W0 m# d( s% F' J6 k0 D+ o; J
PCB傳輸線(xiàn)主要有兩種形式：微帶線(xiàn)（Microstrip）與帶狀線(xiàn)（Stripline）。, ^/ s: _; t- K& M
微帶線(xiàn)（Microstrip）：& b( [9 H9 b M" q: i
" w4 ~+ ?1 _7 B
微帶線(xiàn)是一根帶狀導(dǎo)線(xiàn)，指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn)，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù) Er 線(xiàn)路板的表面之上，以電源或接地層為參考。( b1 `0 @7 X3 Q! n$ m, b
! B$ j9 l" ^$ Z& D2 y- x' I
帶狀線(xiàn)（Stripline）：
帶狀線(xiàn)是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線(xiàn)，電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。具體的微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)有很多種，如覆膜微帶線(xiàn)等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。& g" _4 E; s4 V6 f) c
7 T9 k5 ]3 H$ a
用于計(jì)算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通常使用場(chǎng)求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專(zhuān)門(mén)的阻抗計(jì)算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：
絕緣層的介電常數(shù)Er、走線(xiàn)寬度W1、W2（梯形）、走線(xiàn)厚度T和絕緣層厚度H。8 v
A3 J, O6 B s) o S" E/ t
對(duì)于W1、W2的說(shuō)明：' ]4 t- _% K( ^/ ]9 E9 Z- m
計(jì)算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類(lèi)推。
; m+ q6 I& }+ C" e9 ~. E3 T/ e
下面利用SI9000計(jì)算是否達(dá)到阻抗控制的要求：$ z4 w6 e6 y& d# A, ~. k" Y3 L2 z4 `
首先計(jì)算DDR數(shù)據(jù)線(xiàn)的單端阻抗控制：
% y2 w, h3 h1 T) `0 d
TOP層：銅厚為0.5OZ，走線(xiàn)寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation，如圖所示：
5 f0 o3 u; U& V5 w/ _- }# x
coating表示涂覆層，如果沒(méi)有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過(guò)阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。
: \7 m- K4 @, B) T- Y' Z. {
點(diǎn)擊Weight（oz）項(xiàng)，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線(xiàn)的厚度。6 O+ H* |* E' t5 p x$ P, G6 ]
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成，core其實(shí)也是PP類(lèi)型介質(zhì)，只不過(guò)他的兩面都覆有銅箔，而PP沒(méi)有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。' l6 L( D0 Z' p) y
+ k. O) Q" @! V! V# [$ p0 z# t
10、PCB疊層設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：
; | k: l8 A# K# \
（1）、翹曲問(wèn)題/ l/ L6 c; D( C) T1 j+ X' K2 M
" ^/ u7 H+ u5 I
PCB的疊層設(shè)計(jì)要保持對(duì)稱(chēng)，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對(duì)稱(chēng)，拿六層板來(lái)說(shuō)，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)翹曲。$ ]0 R4 E C* V+ v; y* ]% b
（2）、信號(hào)層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號(hào)層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。
0 V! P, e, g8 j( w. B8 {
（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號(hào)層，但建議不要多家電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。/ K% R6 r: G/ V7 _2 `
" O! O- K0 y$ D' [/ K1 s5 [" r
（4）、層的排布一般原則：+ f% J+ m8 l7 d1 ?5 \
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線(xiàn)提供參考平面；
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；8 q @& b0 M3 R2 C( c! H
0 y! c) W* A( S
主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；
1 c4 e0 O# a6 \5 V
兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。
對(duì)于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長(zhǎng)距離布線(xiàn)，對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ 以上的
* D( Y9 O8 Y% c+ R( ~
（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：* u0 G/ _. E! K3 |
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
, X: C/ ~7 W3 M: ~( `7 l
無(wú)相鄰平行布線(xiàn)層；, @# W3 H5 C1 e( ~( t
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。
- smt貼片加工方案2024-10-23
- smt背光貼片加工2024-10-25
- smt貼片加工流程（SMT貼片加工中常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及其解決方法有哪些？）2024-10-23
- smt貼片加工代工2024-10-28
- 沙井smt貼片廠(chǎng)（沙井SMT貼片廠(chǎng)的主要客戶(hù)群體有哪些？）2024-10-30
- 蚌埠smt貼片加工2024-10-24
- smt貼片加工臺(tái)州（臺(tái)州SMT貼片加工行業(yè)的主要技術(shù)創(chuàng)新有哪些？）2024-10-28
- smt貼片樣板加工2024-10-29
- 專(zhuān)業(yè)視角：PCBA打樣廠(chǎng)家實(shí)力大揭秘！2025-03-26
- PCB打樣廠(chǎng)商口碑排行 | 捷創(chuàng)電子2025-03-24
- 專(zhuān)業(yè)smt貼片廠(chǎng)2024-10-30
- 豐城smt貼片加工2024-10-24
- smt貼片螺母加工2024-10-29
- smt貼片加工費(fèi)用（如何選擇合適的SMT貼片加工廠(chǎng)商？）2024-10-28
- 捷創(chuàng)電子 | 2025年春節(jié)放假通知2025-01-08
- smt貼片的價(jià)格2024-10-31
- SMT工廠(chǎng)開(kāi)機(jī)費(fèi)怎么算？2025-03-28
- fpc貼片smt2024-11-01
- smt貼片機(jī)供料2024-10-31
- 國(guó)內(nèi)smt貼片加工2024-10-29
熱門(mén)資訊- PCB熱設(shè)計(jì)充分？局部熱點(diǎn)仍可能失控
- PCB層間阻抗匹配？回流路徑才是真關(guān)鍵
- SMT制程可復(fù)制？人員差異被低估
- SMT異常減少？檢測(cè)能力可能在退化
- SMT換線(xiàn)順暢？累積誤差正在形成
- SMT節(jié)拍穩(wěn)定？工藝余量正在縮小
- SMT參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化？產(chǎn)品差異正在放大
- PCB仿真通過(guò)？量產(chǎn)條件是否已被假設(shè)
- PCB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單？系統(tǒng)層面的風(fēng)險(xiǎn)更集中
- PCB規(guī)則合規(guī)？實(shí)際制造窗口可能更窄
