搜索
PCBStack设计作者:luqiliang日期:2010-3-23:13:0字体大小:小中大在高速数字电路设计流程中，第一步需要做的就是根据系统的复杂程度，成本因素等相关方面决定印制电路板(PCB)的叠层结构(Stack)，而在PCBstack设计的过程中，特征阻抗也是一个重点关注的问题。1叠层结构的选择电路板的叠层结构分为2层，4层，6层，8层，10层等等。目前常用的用于主板设计的主要有4层与6层，至于8层。而对于更为复杂的系统，像小面积的Add-inCard，大型通信设备中的某一模块，像SDH，Multi-serveRouter，这些设备常用12层甚至是更多层。本文主要的出发点就是以较为简单的例子，介绍PCB叠层设计中的参数问题。1.14层电路板对于4层电路板，这是市场上最常用的一种叠层结构，它的结构无外乎下面几种方案，如图1，具体取决于哪种方案最好，主要是看布线层面的选择，参考平面的选择以及EMC/EMI的考虑。这里把signal层放在内层有利于屏蔽辐射，便于EMC的设计，但不利于系统的Debug。常用的方案是04A。图11.26层电路板对于6层版，叠层结构的选择性较多，如图2。图2最常用的叠层结构主要是06A，06G，06K。06A有四层布线层，便于布线。06G有两个GND，这样的话Top与Bottom层参考平面都是GND，是一种很好的选择。对于06K，这样做，主要是3个信号层布线有点紧张，让第四层作为备用的信号层，最后不用的地方都铺上铜箔，即确切的说，该种叠层结构的layer4是signal/GND。对于其他的叠层结构，像10层，18层，这里不多介绍，下图以便参考。2特征阻抗的计算设计完叠层结构，具体的就要设计各个叠层的厚度了，这里主要的切入点就是特征阻抗，电源平面和地平面的目标阻抗了。对特征阻抗的理解可以类似于软水管，特征阻抗类似软水管对水流的阻力，电流类似于水流，走线与参考平面的距离类似于软水管与地平面的距离——可想象为体现在压强方面。2.1影响特征阻抗因素影响特征阻抗的因素很多，主要体现在下面几个方面：1介电质常数,与阻抗值成反比[Er值愈高,Z0值愈低]2线路层与接地层间介电层厚度,与阻抗值成正比,参考基板及PP之压合厚度，[介层愈厚,Z0值愈高]，介电层厚度类比于软水管离地平面的高度，介电层厚度越大，表示离地平面越高，从而导致水流变缓，好比软水管对水的阻力变大，从而特征阻抗变大。3线宽,与阻抗成反比[线宽愈细,Z0值愈高]，线宽越细，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。4铜厚,与阻抗值成反比[铜愈厚,Z0值愈低]，铜厚变小，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。=一般来说，内层为基板铜厚,厂内1OZ=1.2mil~1.4mil,外层为基板铜箔厚度+镀铜厚度5差动阻抗相邻线路与线路之间的间距,与阻抗值成正比[Spacing愈小,Z0值愈低]，这个很好理解，间距变小，表示耦合越好，从而软水管对水流的阻力越小，特征阻抗变小。6线路层与线路层间介电层厚度,与阻抗值成反比。7防焊漆厚度,与阻抗值成反比[绿漆愈厚,Z0值愈低]，绿漆可以类比于堤坝对水流的保护作用，绿漆越厚，堤坝越厚，表示对水流的保护作用越好，水流都不会丢失，从而水流越大，对水流的阻碍越小，特征阻抗越低。2.2Microstrip单端阻抗模型下图是表示微带线(Microstrip)的单端阻抗计算方法：1SurfaceMicrostrip适用范围：外层防焊前阻抗计算参数说明H外层到VCC/GND间介电质厚度W2阻抗线上缘线宽W1阻抗线下缘线宽T1阻抗线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚2CoatedMicrostrip适用范围：外层防焊后阻抗计算参数说明H1外层到相邻VCC/GND间介电质厚度C1/C2覆盖线路绿漆厚度W2阻抗线上缘线宽W1阻抗线下缘线宽T1阻抗线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚图32.3Microstrip差分阻抗模型下图表示微带线的差分阻抗计算方法：(带状线计算方法后面章节会介绍)1Edge-coupledSurfaceMicrostrip适用范围：外层防焊前差动阻抗计算参数说明H1外层到VCC/GND介电质厚度W2阻抗线上缘线宽W1阻抗线下缘线宽S1相邻两根阻抗线间距T1线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚2Edge-coupledCoatedMicrostrip适用范围：外层防焊后差动阻抗计算参数说明H1外层到相邻VCC/GND介质厚度C1/C2覆盖线路绿漆厚度W2阻抗线上缘线宽W1阻抗线下缘线宽S1相邻两根阻抗线间距T1线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚图4说明：1关于铜厚T：内层，1oz=1.2mil~1.4mil左右，需要向PCB版厂确认，一般取为1.4mil。外层，厚度应该为基铜的厚度+镀层厚度2关于线宽：内层0.5oz上幅=下幅–0.5mil,1oz/经电镀上幅=下幅–0.8mil。外层，上幅=下幅*(85-90%)3防焊层厚度：一般最小是0.4mil。单端阻抗：防焊前后约差7ohms,标示下限+4mil上限+2mil。对于差动阻抗：防焊前后约差14ohms,标示下限+10mil上限+4mil。一般的PP型号与厚度是(仅供参考)：型号---resintoglassratio---厚度1080:62%2.5MIL65%2.7MIL68%3.0MIL2116:50%4.1MIL54%4.6MIL58%5.0MIL7628:43%7.1MIL47%7.5MIL50%7.9MIL1056:48%6.0MIL对于Pre-Preg推荐使用2116，Core推荐使用7628，这是根据lql-008(个人编号)关于Stackup描述而来的，读者可参阅该篇文档关于PCB的细节。2.4Strip单端阻抗模型这个模型可参阅图12。2.5Strip差分阻抗模型这个模型可参阅图13。3．阻抗计算实例说明传输线阻抗是从电报方程推导出来(具体可以查询微波理论)，当电压电流在传输线传播的时候,如果特性阻抗不一致所求出的电报方程的解不一致,就造成所谓的反射现象等等.在信号完整性领域里,比如反射,串扰,电源平面切割等问题都可以归类为阻抗不连续问题,因此匹配的重要性在此展现出来。本节的内容可以参阅资料reference-0002-阻抗计算说明.pdf图5由图5可知，这是一个8层电路板的叠层结构，这就可以理解了，PP表示Prepreg。PP是种介质材料,由玻璃纤维和环氧树脂组成,core其实也是PP类型介质,只不过他两面都覆有铜箔,而PP则没有。那么每一层的铜箔厚度是怎么表示的呢？铜箔重量一般以Oz来表示。重量的单位1Oz(盎司)=28.3g(克)。在叠层里面是这么定义的,在一平方英尺的面积上铺一盎司的铜的厚度为1Oz，它与Mil对应的关系是：图6为了更好说明特征阻抗计算方法，在此假设板厚为1.6mm,也就是64mil左右,单端阻抗要求55Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我们假设以如下的叠层来走线。采用PolarSi8000计算Top与Bottom层微带线的单端阻抗为：图7对应的，差分阻抗的计算如图8：图8为了验证覆绿漆与不覆绿漆的区别，参照下图与图7的区别，可以看出，在这里不覆绿漆时特征阻抗比覆绿漆时增加了大约3.5Ohm。图9这也验证了绿漆越厚，特征阻抗越小的说法(不覆盖可以表示为厚度为0)。这里在举一个6层板的例子，更好的说明带状线特征阻抗计算的方法。在此假设板厚为1.5mm,也就是60mil左右,单端阻抗要求55Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我们假设以如下的叠层来走线。单端阻抗的计算如图10。图10对应的差分阻抗为图11。图11这里Top层与Bottom层的走线都参照这个计算，因为他们是对称的。再计算内层的特征阻抗。单端阻抗为图12，差分阻抗为图13。图12图13