PCB印刷线路板阻抗控制

如何做好阻抗控制1.阻抗匹配Home如何做好阻抗控制2.傳輸線之終端控管技術（Termination）4.阻抗計算的邏輯5.材料成本的考量3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)7.壓合結構設計重點數位系統之多層板訊號線（SignalLine）中，當出現方波訊號的傳輸時，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端於手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標區.Home1.阻抗匹配:將訊號的傳輸看成軟管送水澆花Home然而一旦用力過度水注射程太遠，不但騰空越過目標浪費水資源。也有可能因強力水壓無處宣洩，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!(阻抗太高)1.阻抗匹配:將訊號的傳輸看成軟管送水澆花Home反之，當握處之擠壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結果。(阻抗太低)1.阻抗匹配:將訊號的傳輸看成軟管送水澆花唯有拿捏恰到好處才能符合實際需求的距離。(阻抗匹配)Home上述簡單的生活細節，正可用以說明方波（SquareWave）訊號（Signal）在多層板傳輸線（TransmissionLine，係由訊號線、介質層、及接地層三者所共同組成）中所進行的快速傳送。1.阻抗匹配:將訊號的傳輸看成軟管送水澆花介質層訊號線接地層Home此時可將傳輸線（常見者有同軸電纜CoaxialCable，與微帶線MicrostripLine或帶線StripLine等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所並聯到Gnd的電阻器一般，可用以調節其終點的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元件內部的需求。1.阻抗匹配:將訊號的傳輸看成軟管送水澆花由上可知當“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達終點，欲進入接受元件（如CPU或Memory等大小不同的IC）中工作時，則該訊號線本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務失敗白忙一場。用電腦術語說就是“正確執行指令，減少雜訊干擾，避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時，則必將會有少許能量回頭朝向“發送端”反彈，進而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。Home2.傳輸線之終端控管技術（Termination）當傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設計者訂定為28ohm時，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm，如此才能協助傳輸線對Z0的保持，使整體得以穩定在28ohm的設計數值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會最具效率，其“訊號完整性”（SignalIntegrity，為訊號品質之專用術語）也才最好。Home2.傳輸線之終端控管技術（Termination）當某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準位（HighLevel）的正壓訊號向前推進時，則距其最近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場所感應出來的負壓訊號伴隨前行（等於正壓訊號反向的回歸路徑ReturnPath），如此將可完成整體性的迴路（Loop）系統。該“訊號”正行進中，但我們將時間凍結住，即可想像其所遭受到來自訊號線、介質層與參考層等所共同呈現的瞬間阻抗值（InstantaneousImpedance），此即所謂的“特性阻抗”。Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）“特性阻抗”應與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質厚度（h）與介質常數（Dk）都扯上了關係。此種傳輸線之一的微帶線其圖示與計算公式如下：Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）阻抗設計簡單的說就是找一組參數(介電層厚度H,線寬W,介電常數εr,銅厚T)的組合,使參數代入公式中可以命中規格中值.使用APSIMRLGC模擬軟體計算阻抗,相關作業程序,請參考阻抗模擬作業規範.下圖為各參數與阻抗的關係.阻抗值與介電層厚度成正比.Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）阻抗值與線寬成反比.Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）阻抗值與介電常數成反比.介電層厚度ErEr(HTg)23.73.533.73.543.83.653.83.663.93.774.13.984.24104.34.1124.34.1144.64.4154.64.4164.74.5Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）阻抗值與銅厚成反比當上述微帶線中Z0的四種變數（w、t、h、r）有任一項發生異常，例如下圖的訊號線出現缺口時，將使得原來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實），而無法繼續維持應有的穩定均勻（Continuous）時，則其訊號的能量必然會發生部分前進，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。下圖中的軟管突然被小朋友踩住，造成軟管兩端都出現異常，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質的方波訊號，立即出現異常的變形（即發生高準位向上的Overshoot，與低準位向下的Undershoot，以及二者後續的Ringing。此等高頻雜訊嚴重時還會引發誤動作，而且當時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。Home3.特性阻抗的定義（CharacteristicImpedance）如左列結構,計算阻抗時應先從外層算起(Microstripline),外層阻抗計算出來後可得到L1~L2及L9~L10的介電層厚度,然後再計算內層阻抗,因為內層結構為兩個Stripline結構所組成,算出L3及L4的阻抗結構後,一般的結構為對稱性設計,故可得到另一組L7及L8的阻抗結構,至於L5~L6的介電層為介於兩層GND之間,所以這段厚度不會影響阻抗,可配合各介電層厚度總和,自由調整該處厚度.Home4.阻抗計算的邏輯(1)介電層厚度:L1/2L2/3L3/4L4/5L5/6(2)阻抗線寬量測:線寬銅厚上幅下幅高度上幅下幅高度上幅下幅高度上幅下幅高度阻抗量測實際值Tek量測實際值3.935.085.0~5.5實際量測值4.295.232.16spec(line)2.5256.8256.3960.3360.458.559.1458.375.151.45L350.0~60.0Ω4.75~5.755.0~5.559.25L4L650.0~60.0Ω4.094.601.37166B6-102E-(0141)-阻抗不良分析報告(成品)SPEC4.1±0.5mil5.0±0.5mil4.174.924.37L150.0~60.0Ω層次量測點阻抗spec4.75~5.7524.1±0.5mil5.0±0.5mil50.0~60.0Ω4..054.0±0.5milNO.1實際量測值23.244.962001/10/13Home5.材料成本的考量1)ISOLA材料最貴2)單張材料一定比兩張材料便宜3)以7628ft2為基礎，其他為7628之倍數4)NP180（FR5）的比NP170貴1.1倍1)使用常見的膠片組合:當使用兩張以上膠片時,盡量避免使用單價較高的膠片去做組合,如106,2313,1506等.Home5.材料成本的考量2)膠片壓合張數最多不可超過四張:若四張7628或7630仍無法達到客戶介電層要求時,須使用無銅箔基板搭配上下各一張膠片進行壓合,因為多張膠片壓合時可能會出現滑板問題.6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)■線寬/線距(LineWidth/Spacing)■檢查接地點是否正確(GNDConnectionCheck)■Coupon設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)線路上鑽孔、不適當的Dummypad、不適當的Anti-Pad上下層線路重疊、量測點間距不符規定0.100”0.100”Dummypad=FollowPCBHOUSEDummyPadDefinition(Dummytrace)x2LineWidth=21mil(Outerlayer)=21mil(Internallayer)LineSpace=26mil(Outerlayer)min=21mil(Internallayer)minDrillSize=1.05mmPTHHolesImpedanceTrace=SimulatedLineWidth/SpaceTraceLength=3”~6”Single-endImpedanceImpedancecoupondesignrule6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)0.100”0.100”(Dummytrace)x2LineWidth=21mil(Outerlayer)=21mil(Internallayer)LineSpace=26mil(Outerlayer)min=21mil(Internallayer)minDrillSize=1.05mmPTHHolesImpedanceTrace=SimulatedLinewidth/SpaceTraceLength=3”~6”Dummypad=FollowPCB’sDummyPadDefinitionDifferentialImpedanceImpedancecoupondesignrule6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)正確的Coupon設計(CorrectCouponDesign)1.正確的阻抗線路長度(3~6inchandup)2.足夠的DummyTrace線距(I/L:Min.21mil;O/L:Min.26mil)3.正確的參考層接地點4.不可有其他造成干擾阻抗信號因素(DrillonTrace、Thieving、Anti-Pad、NearTraces、Insufficientpitchofholes)Imp.TracesDummyTracesDummyPadGNDConnection6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)L2Imp.TracesDrillonTraceDrillonTraceL2Imp.Traces線路上鑽孔(L2阻抗線參考L3GND)當客戶有這種設計時,須建議客戶去除該處鑽孔及PAD.無論客戶是否同意修改設計,於生產前必須先行試作.6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)L3GNDL1ThievingL2Imp.Traces不適當的DummypadL1的Dummypad做在L2阻抗線上方L2阻抗線參考L3GND6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)不適當的Anti-PadL5&7GNDL5&7Anti-PadL6Imp.TracesL5及L7的Anti-Pad太靠近L6阻抗線L6阻抗線參考L5及L7GND6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)Sub-Topic設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)上下層線路重疊:導致阻抗值減低L6GNDL7Imp.TracesL6GNDL7&L8TraceOverlappedL8Imp.TracesL7及L8的阻抗線彼此重疊L7及L8阻抗線參考L6GND6.阻抗線路檢查事項(Imp.TraceReviewItems)Sub-Topic設計錯誤範例(ImproperDesignPractices)量測點間距不符規定阻抗線距離參考層接地點間距最大100milL1阻抗線參考L2GND6.阻抗線路檢