PCB的阻抗控制

浅谈PCB的阻抗控制随着电路设计日趋复杂和高速，如何保证各种信号（特别是高速信号）完整性，也就是保证信号质量，成为难题。此时，需要借助传输线理论进行分析，控制信号线的特征阻抗匹配成为关键，不严格的阻抗控制，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，我对这个问题有了一些粗浅的认识，愿和大家分享。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，通过与上海嘉捷通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：以前我一直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，但这里我向大家推荐另一个工具PolarSI9000，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PolarSI9000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PolarSI9000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，我建议差分阻抗减去8欧姆，单端阻抗减去2欧姆PCB阻抗控制随着PCB信号切换速度不断增长，当今的PCB设计厂商需要理解和控制PCB迹线的阻抗。相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率，PCB迹线不再是简单的连接，而是传输线。在实际情况中，需要在数字边际速度高于1ns或模拟频率超过300Mhz时控制迹线阻抗。PCB迹线的关键参数之一是其特性阻抗（即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值）。印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标，特别是在高频电路的PCB设计中，必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。这就涉及到两个概念：阻抗控制与阻抗匹配，本文重点讨论阻抗控制和叠层设计的问题。阻抗控制阻抗控制(eImpedanceControling)，线路板中的导体中会有各种信号的传递，为提高其传输速率而必须提高其频率，线路本身若因蚀刻，叠层厚度，导线宽度等不同因素，将会造成阻抗值得变化，使其信号失真。故在高速线路板上的导体，其阻抗值应控制在某一范围之内，称为“阻抗控制”。PCB迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定。影响PCB走线的阻抗的因素主要有:铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。PCB阻抗的范围是25至120欧姆。在实际情况下，PCB传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。迹线和板层构成了控制阻抗。PCB将常常采用多层结构，并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。但是，无论使用什么方式，阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定：信号迹线的宽度和厚度迹线两侧的内核或预填材质的高度迹线和板层的配置内核和预填材质的绝缘常数PCB传输线主要有两种形式：微带线（Microstrip）与带状线（Stripline）。微带线（Microstrip）：微带线是一根带状导线，指只有一边存在参考平面的传输线，顶部和侧边都曝置于空气中（也可上敷涂覆层），位于绝缘常数Er线路板的表面之上，以电源或接地层为参考。如下图所示：注意：在实际的PCB制造中，板厂通常会在PCB板的表面涂覆一层绿油，因此在实际的阻抗计算中，通常对于表面微带线采用下图所示的模型进行计算：带状线（Stripline）：带状线是置于两个参考平面之间的带状导线，如下图所示，H1和H2代表的电介质的介电常数可以不同。上述两个例子只是微带线和带状线的一个典型示范，具体的微带线和带状线有很多种，如覆膜微带线等，都是跟具体的PCB的叠层结构相关。用于计算特性阻抗的等式需要复杂的数学计算，通常使用场求解方法，其中包括边界元素分析在内，因此使用专门的阻抗计算软件SI9000，我们所需做的就是控制特性阻抗的参数：绝缘层的介电常数Er、走线宽度W1、W2（梯形）、走线厚度T和绝缘层厚度H。对于W1、W2的说明：此处的W=W1，W1=W2.规则：W1=W-AW—-设计线宽A—–Etchloss(见上表)走线上下宽度不一致的原因是：PCB板制造过程中是从上到下而腐蚀，因此腐蚀出来的线呈梯形。走线厚度T与该层的铜厚有对应关系，具体如下：铜厚COPPERTHICKNESSBasecopperthkForinnerlayerForouterlayerHOZ0.6mil1.8mil1OZ1.2MIL2.5MIL2OZ2.4MIL3.6MIL绿油厚度：*因绿油厚度对阻抗影响较小，故假定为定值0.5mil。我们可以通过控制这几个参数来达到阻抗控制的目的，下面以安维的底板PCB为例说明阻抗控制的步骤和SI9000的使用：底板PCB的叠层为下图所示：第二层为地平面，第五层为电源平面，其余各层为信号层。各层的层厚如下表所示：LayerNameTypeMaterialThinknessClassSURFACEAIRTOPCONDUCTORCOPPER0.5OZROUTINGDIELECTRICFR-43.800MILL2-INNERCONDUCTORCOPPER1OZPLANEDIELECTRICFR-45.910MILL3-INNERCONDUCTORCOPPER1OZROUTINGDIELECTRICFR-433.O8MILL4-INNERCONDUCTORCOPPER1OZROUTINGDIELECTRICFR-45.910MILL5-INNERCONDUCTORCOPPER1OZPLANEDIELECTRICFR-43.800MILBOTTOMCONDUCTORCOPPER0.5OZROUTINGSURFACEAIR说明：中间各层间的电介质为FR-4，其介电常数为4.2；顶层和底层为裸层，直接与空气接触，空气的介电常数为1。需要进行阻抗控制的信号为：DDR的数据线，单端阻抗为50欧姆，走线层为TOP和L2、L3层，走线宽度为5mil。时钟信号CLK和USB数据线，差分阻抗控制在100欧姆，走线层为L2、L3层，走线宽度为6mil，走线间距为6mil。对于计算精度的说明:1、对于单端阻抗控制，计算值等于客户要求值；2、对于其他特性阻抗控制：对于其它所有的阻抗设计(包括差别和特性阻抗)*计算值与名义值差别应小于的阻抗范围的10%：例如：客户要求：60+/-10%ohm阻抗范围=上限66-下限54=12ohms阻抗范围的10%=12X10%=1.2ohms计算值必须在红框范围内。其余情况类推。下面利用SI9000计算是否达到阻抗控制的要求：首先计算DDR数据线的单端阻抗控制：TOP层：铜厚为0.5OZ，走线宽度为5MIL，距参考平面的距离为3.8MIL，介电常数为4.2。选择模型，代入参数，选择losslesscalculation,如图所示：计算得到单端阻抗为Zo=55.08ohm，与要求相差5欧姆。根据板厂的反馈，他们将走线宽度改为6MIL以达到阻抗控制，经过验证，在宽度W2=6MIL,W1=7MIL的情况下，计算得到的单端阻抗为Zo=50.56欧姆，符合设计要求。L2层：在L2层的走线模型如下图所示：代入参数进行计算得到如下图所示：计算得到单端阻抗为Zo=50.59欧姆，符合设计要求。同理可以得到L3层的单端阻抗，在此不再赘述。下面计算差分阻抗控制：由PCB设计可知，底板PCB中时钟走线在L3层，USB数据线在L2层，走线宽度均为6MIL,间距为6MIL。时钟信号选择的模型如下所示：按照提供给板厂的数据计算得到的结果如下图所示：根据板厂的反馈，差分阻抗只能做到85欧姆，与计算结果接近（他们可以微调板层厚度，但不能调线）。但是改变线间距为12MIL时，计算得到的差分阻抗为92.97欧姆，再将线宽调为5MIL时，差分阻抗为98.99欧姆，基本符合设计要求。经验小结1、当差分走线在中间信号层走线时，差分阻抗的控制比较困难，因为精度不够，就是说改变介质层厚度对差分阻抗的影响不大，只有改变走线的间距才对差分阻抗影响较大。但是当走线在顶层或底层时，差分阻抗就比较好控制，很容易达到设计要求，通过实际计算发现，重要的信号线最好走表层，容易进行阻抗控制，尤其是时钟信号差分对。2、在PCB设计之前，首先必须通过阻抗计算，把PCB的叠层参数确定，如各层的铜厚，介质层的厚度等等，还有差分走线的宽度