阻抗控制和叠层设计的问题

pcb551

讨论阻抗控制和叠层设计的问题。
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7 X% u( M3 G1 n: N阻抗控制
5 v5 e3 j+ `: l4 L& B8 W, Z6 }- e
' j) W6 i, \- R4 m, t, l  I阻抗控制（eImpedance Controling），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”。
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6 l6 m; N; z: c; p  y+ _" VPCB 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
" D" N; u) ^8 Z: t# ]2 }; P
2 ]: j6 b; G& r2 V) H$ l迹线两侧的内核或预填材质的高度
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( f& m9 H. M% a" S; Z% k迹线和板层的配置
1 e8 f. L! o; N2 s
. K# |, @" c0 o( T' v5 {( }6 D* i内核和预填材质的绝缘常数
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PCB传输线主要有两种形式：微带线（Microstrip）与带状线（Stripline）。
+ x6 o! Z( l: q9 N, D( d; T
微带线（Microstrip）：
1 ^% L+ p! T" o) P
7 _8 v4 F/ ^5 s5 b9 f' u9 K% p& Q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。


带状线（Stripline）：

; m3 R3 U% K6 M; }, C带状线是置于两个参考平面之间的带状导线，电介质的介电常数可以不同。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。
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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：

1 }. w  i5 @- \7 w) u计算值必须在红框范围内。其余情况类推。
5 }0 z6 U6 ~, v
2 J; m  {3 @6 J# s4 k下面利用SI9000计算是否达到阻抗控制的要求：
  _5 S3 |1 k8 Q. P4 _4 T
首先计算DDR数据线的单端阻抗控制：

' \* ~! x  ~' F" D, U$ V8 q5 X: yTOP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lossless calculation，如图所示：

* Y, C# L, G+ j8 k" xcoating表示涂覆层，如果没有涂覆层，就在thickness 中填0，dielectric（介电常数）填1（空气）。
* P1 f- n, J0 o
7 w# f2 N) [9 S0 W- Ysubstrate表示基板层，即电介质层，一般采用FR-4，厚度是通过阻抗计算软件计算得到，介电常数为4.2（频率小于1GHz时）。

点击Weight（oz）项，可以设定铺铜的铜厚，铜厚决定了走线的厚度。

9 f; b5 A* A6 a0 C8 b9、绝缘层的Prepreg/Core的概念：
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. Y; }9 u* [: v7 G0 N) @/ SPP（prepreg）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，只不过他的两面都覆有铜箔，而PP没有，制作多层板时，通常将CORE和PP配合使用，CORE与CORE之间用PP粘合。
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: w$ c$ f' ^5 A8 S; L: V4 V; l+ [4 ?% q2 [10、PCB叠层设计中的注意事项：
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（1）、翘曲问题

PCB的叠层设计要保持对称，即各层的介质层厚、铺铜厚度上下对称，拿六层板来说，就是TOP-GND与BOTTOM-POWER的介质厚度和铜厚一致，GND-L2与L3-POWER的介质厚度和铜厚一致。这样在层压的时候不会出现翘曲。
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（2）、信号层应该和邻近的参考平面紧密耦合（即信号层和邻近敷铜层之间的介质厚度要很小）；电源敷铜和地敷铜应该紧密耦合。
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（3）、在很高速的情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建议不要多家电源层来隔离，这样可能造成不必要的噪声干扰。
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（4）、层的排布一般原则：

& @( n5 l, O/ n- e元件面下面（第二层）为地平面，**器件屏蔽层以及为顶层布线**参考平面；

所有信号层尽可能与地平面相邻；
: G: T4 d' ?2 R, B, N2 G
尽量避免两信号层直接相邻；
  ^- }# s6 D* A
( a4 w0 a  B6 F主电源尽可能与其对应地相邻；

兼顾层压结构对称。

; h. O5 a* ]8 `# Z6 J* J3 Q. q对于母板的层排布，现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在50MHZ 以上的
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（50MHZ 以下的情况可参照，适当放宽），建议排布原则：
# k% ?4 I% h6 \
( Z! V$ r6 s: F元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）；

- Y. s+ _: h6 \3 k无相邻平行布线层；

) T5 v3 a+ s/ H2 K- y6 g4 j. l所有信号层尽可能与地平面相邻；
* o5 Y% ?$ S* \
关键信号与地层相邻，不跨分割区。

专业pcb制造
陈生
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