PCB的阻抗控制.pdf

PCB的阻抗控制的阻抗控制 一 特性阻抗原理 一 特性阻抗原理 什么样的线路才被定义为传输线了 在国际标准IPC 2141 3 4 4说明其原则 当 信号在导线中传输时 若该导线长度大到信号波长的1 7 则该导线应被视做传输线 如当某 电磁波信号以时钟频率为900MHZ GSM手机传输频率 在导线中传播时 则如果线路的长度 大于 1 7波长 1C 7F 4 76CM时 该线路就被定义为传输线 众所周知 直流电路中电流传输时遇到的阻力叫电阻 交流电路中电流遇到的阻力叫阻抗 而高频 400MHZ 电路中传输信号所遇到的阻力叫特性阻抗 在高频情况下 印制板上的 传输信号铜导线可以被视为由一串等效电阻及一并连电感所组合而成的传导线路 而此等效电 阻在高频分析时小到可以忽略不记 因此我们在对一个印制板的信号传输进行高频分析时 则 只需考虑杂散分布之串联电感及并联电容的效应 我们可以得到以下公式 Z0 R L C L C Z0为特性阻抗值 关于特性阻抗 有以下几原则 1 在数字信号在板子上传输时 印制板线路的特性阻抗值必须与头尾元件的电子阻抗 匹配 如果不匹配的话 所传送的信号能量将出现反射 散失 衰减 或延误 等现 象 从而产生杂信 2 由于电子元件的电子阻抗越高时 其传输速率才越快 因而电路板的特性阻抗值也 要随之提高 才能与之匹配 3 射频通信用的PCB 除强调 Z0外 有时更加强调板材本身具有低的 Er 介质常数 值及低 的Df 介质损耗因子 值 高频信号在介质中的传输速度为C Er 可知 Er越小 传输速 度越快 这也是为何高频要用低介质常数的高频材料 Df影响着信号在介质传输过程中的 失真 Df越小 失真越小 二 特性阻抗的常见形式和计算方法 二 特性阻抗的常见形式和计算方法 在线路板的设计中 传输信号最常见的有4种单线布线和2种差分布线方式方式 以上四种单线传输信号布线方式的阻抗计算公式见下 差分略 1 微带线 Z 87ln 5 98H 0 8W T Er 1 41 2 埋入式微带线 Z 87ln 5 98 Er Er exp 1 55h h Er 1 41 3 带状线 Z 60ln 1 9 2H T 0 8W T Er 4 双带状线 Z 80ln 1 9 2H T 0 8W T 1 H 4 H C T Er 以上公式中 Er 印制板基材的介质常数 W 印这制板传输导线宽度 T 印制板传输导线厚度 H 印制板介质厚度 印制板特性阻抗的控制与制程和材料的关系 三 影响特性阻抗值的四大因素三 影响特性阻抗值的四大因素 单线 差分和差分线距还有关系 单线 差分和差分线距还有关系 由以上公式可以得知 特性阻抗的影响因素主要有以下4点 1 Z 与板材介质常数 与板材介质常数Er的关系 的关系 Z 和 Er的平方根成反比 影响比较小 但是 对与高频线路来说 Er是非常重要的从电磁 微带线 埋入式微带线 带状线 双带状线 参考层 参考层 参考层 信号层 信号层 信号层 信号层 信号层 参考层 参考层 参考层 参考层 信号层 参考层 信号层 参考层 差分微带线 差分带状线 特性阻抗常见方式 波理论中的马克斯威尔公式可知 正玄波信号在介质中的传输速率 VS 与光速 成正比 而 与传输介质成反比 即 Vs C Er 由公式可知 要提高信号的传输速度 必须降低材料的介质常数 同时 要获得高的传输就 必须采用高的特性阻抗值 而高的特性阻抗就必须选用低的介质常数 这也就是为什么高频线 路板为何多采用PTFE BT PI等材料 应这些料具有低的Er值 以下为几种常用 板料的 Er值 介质材 真空 PTFE 普通FR 4 PI 陶瓷 2 Z 与板材介质厚度的关系 与板材介质厚度的关系 介质层的厚度和 Z 成正比 是影响特性阻抗的一个重要因素 因此 对于特性阻抗要求高 的板 介质层厚度的均匀性是保证成功设计和制作特性阻抗线路板的关键一步 在设计中 应 注意的是 随着导体走线密度的增加 其介质厚度的增加会引起电磁干扰的增加 因此 对于 高频线路和高数字线路的信号传输随着导体布线的增加 应减少介质厚度以消除或降低电磁干 扰 EMI 带来的杂信或串扰问题 其出路只有降低 Er 才能有利于采用较薄的介质层厚度 3 Z 与线路厚度的关系 与线路厚度的关系 铜箔厚度也是影响特性在阻抗值的一个重要因素 铜箔厚度越大 其特性阻抗值越小 但变 化范围相对比较小的 同时 铜箔厚度的变化对线路有很大的影响 但厚度增加时 精细线路 难以制作 4 Z 与线宽 与线宽 W 的关系 的关系 由公式可以看出 导线宽度越小 Z 越大 与之成正比 导线宽度变化导致的Z 值比导线 厚度的变化对Z 的影响来得更明显的得多 因此 改变和控制线宽是控制特性阻抗值和变化 范围最根本的途径和方法 制造细线路也是提高高频线路和高效数字线路Z 的一个重要方法 其次 绿油对特性阻抗值也有影响 绿油越厚 其次 绿油对特性阻抗值也有影响 绿油越厚 Z 越小 其作用和铜厚差不多 越小 其作用和铜厚差不多 一般性的量测方法 采TDR Time Domain Reflectometry 的量测 就是使用 时域反射仪 前面介绍了部分阻抗类型的计算公式前面介绍了部分阻抗类型的计算公式 但实际上但实际上 现在的阻抗都是用软件计算的现在的阻抗都是用软件计算的 它更快捷它更快捷 准确准确 本厂目前使用的是本厂目前使用的是Polar 公司的测 试仪器 公司的测 试仪器CITS500s 测试范围测试范围 0 300ohm 测试精度测试精度 1 50ohm 1 25 75ohm 1 5 28 100ohm 反射上升时间反射上升时间 Reflected Pulse Risetime 200ps 系统带宽系统带宽 1 75GHz 介电常数介电常数Er会随着工作的频率而变化会随着工作的频率而变化 在一定范围内在一定范围内 频率越高频率越高 Er越小越小 附件附件I 附件 附件II与附件与附件III是三个板材供应商提供的芯板是三个板材供应商提供的芯板Er 可 以查看在 可 以查看在1MHz时的介电常数比在1GHz时大 时的介电常数比在1GHz时大 介质常数 30MHZ下 4 2 4 8 3 4 3 8 3 3 四 特性阻抗的测量 四 特性阻抗的测量 1 2 2 1 特性阻抗impedance 它由电阻和电抗 由感抗和容抗组合 所组成 在印制板中的特性阻抗取决于导线宽度和厚度 导线离接地面的距 离 以及导线之间介质的介电常数 r 2 阻抗匹配impedance match 在电子电路中的信号传输 由电源输出起 希望在无能量损失条件下传输到接受端 而中间不发生任何信号反射 因此要求印制板中的阻抗 ZL 和电源端的阻抗 ZO 相等 即称之阻抗匹配 阻抗不能匹配 则收到的信号失真 3 微带线 microstrip 在印制板中导线平行于接地面 中间由介质隔开的一种传输线结构 4 带状线 stripline 五 阻抗类型 表面微波传输带 五 阻抗类型 表面微波传输带 Surface Microstrip 覆膜表面微波传输带 覆膜表面微波传输带 Coated Microstrip 单端 嵌入式微波传输带单端 嵌入式微波传输带 Embedded Microstrip 对称带状态 对称带状态 Symmetrical stripline 偏移 偏移 不对称不对称 带状线带状线 Offset stripline 非共面阻抗 表面边缘耦合微波传输带 非共面阻抗 表面边缘耦合微波传输带 Edge coupled Surface Microstrip 覆膜边缘耦合微波传输带 覆膜边缘耦合微波传输带 Edge coupled Coated Microstrip 差分 嵌入式边缘耦合微波传输带差分 嵌入式边缘耦合微波传输带 Edge coupled Embedded Microstrip 对称边缘耦合带状态 对称边缘耦合带状态 Edge coupled Symmetrical stripline 偏移边缘耦合带状态 偏移边缘耦合带状态 Edge coupled Offset stripline 对称宽边耦合带状态 对称宽边耦合带状态 Broadside coupled stripline 表面共面波导 表面共面波导 Sueface coplanar line 表面共面带 表面共面带 Coated coplanar line 覆膜共面波导 覆膜共面波导 Embeded coplanar line 共面覆膜共面带共面覆膜共面带 Symmetrical coplanar stripline 偏移共面带状线 偏移共面带状线 Offset coplanar stripline 带有或不带接地层的所有上述结构 共面阻抗 表面共面波导 表面共面带 覆膜共面波导 覆膜共面带 差分共面 嵌入式共面波导 嵌入式共面带 偏移共面带状线 带有或不带接地层的所有上述结构 带有或不带接地层的所有上述结构 共面阻抗 表面共面波导 表面共面带 覆膜共面波导 覆膜共面带 差分共面 嵌入式共面波导 嵌入式共面带 偏移共面带状线 带有或不带接地层的所有上述结构 下图中从左到右的15种类型 分别对应以上表格里的 名称 附件I是更详细的单个放大图示 共面阻抗的设计 与非共面的最大区别是旁边有线路或大铜条与接地孔连接 上图中的最后四个是共面阻抗的4种类型 线路连接见下图示 六 阻抗条六 阻抗条 Coupon 的设计的设计 在电路 含有组装的元件 两点间的传输波中的电压与电流的比值 即传输线的任一点对传输波产生的阻力 在印制板中单一导线与两个平行地面平行 等距或不等距并由介质隔开而组成的一种传输线结 1 方 方PAD PTH外层对应外层对应PAD 且此 且此PTH在内 外层只和相关屏蔽层相接通 在内 外层只和相关屏蔽层相接通 圆PAD PTH外层对应PAD 且此PTH在内 外层只和相关层信号线相接通 圆PAD PTH外层对应PAD 且此PTH在内 外层只和相关层信号线相接通 2 每个外层圆 每个外层圆Pad及方及方Pad旁加上字体 表示信号线层或屏蔽层所在的层序 如旁加上字体 表示信号线层或屏蔽层所在的层序 如1 2 3 4 10 11分别代表信号层或屏蔽层在第一层 分别代表信号层或屏蔽层在第一层 第二层 第三层 第十层 第十一层 第二层 第三层 第十层 第十一层 3 除了锣管位孔 除了锣管位孔 其余的孔都作成其余的孔都作成PTH 相应加上方 相应加上方Pad或圆或圆Pad 4 当 当Wpnl上有一个以上的上有一个以上的Coupon时 在线路层时 在线路层 丝印层加上不同的编号丝印层加上不同的编号1 2 3 4等 以等 以 便测试 分析时作识别用 便测试 分析时作识别用 5 每条Coupon的PTH孔孔径统一为 1 00mm 并要加有2个锣管位孔 1 60mm 每条Coupon的PTH孔孔径统一为 1 00mm 并要加有2个锣管位孔 1 60mm 6 在要求管控的阻抗线较多或考虑生产排版需要时 可以采用单孔连接信号线的设计 在要求管控的阻抗线较多或考虑生产排版需要时 可以采用单孔连接信号线的设计 见见P4 与P5图示 以节省设计位置 与P5图示 以节省设计位置 7 若 若Coupon设计在长度尺寸较小的范围时 有时客户会指定位置 设计在长度尺寸较小的范围时 有时客户会指定位置 信号线可为转折形式信号线可为转折形式 但要避免转直角走线方式且尽可能转弯半径大点但要避免转直角走线方式且尽可能转弯半径大点 以保证信号线的总长度足够 同时参考第十点要求 但要保以保证信号线的总长度足够 同时参考第十点要求 但要保 持信号线距离持信号线距离2 54mm以上 见以上 见P8图图8 8 如无特别要求 如无特别要求 信号线距旁边铜皮信号线距旁边铜皮 Dummy Pattern 间隙间隙5倍于到屏蔽层的最小距离倍于到屏蔽层的最小距离mm 对于非共面类型的阻抗对于非共面类型的阻抗Coupon 如果客户没有指定如果客户没有指定 在设计阻抗条时在设计阻抗条时 信号线旁边的信号线旁边的Dummy Pattern 长铜条或铜长铜条或铜Pad与信号线的 间距 与信号线的 间距t 要 要 5H H是信号层到屏蔽层的绝缘厚度或最小厚度是信号层到屏蔽层的绝缘厚度或最小厚度 以下举例说明以下举例说明 注注 非共面类型的阻抗非共面类型的阻抗 旁边旁边Dummy Pattern与铜皮间距不足与铜皮间距不足5t时时 阻抗会随着间距变少而变小阻抗会随着间距变少而变小 虽然别的条件都还没变虽然别的条件都还没变 AB CD A 对于对于Microstrip类型的类型的 t 信号层到屏蔽层的绝缘厚度信号层到屏蔽层的绝缘厚度 t Ht H1 B 对于对于Stripline类型的类型的 t 信号层到两个屏蔽层的绝缘厚度信号层到两个屏蔽层的绝缘厚度H1与与 H H1 T 中小的那个中小的那个 t 绝缘厚度绝缘厚度 min 差动阻抗同样处理 注 差动阻抗同样处理 注 不但是在同一层的信号线与不但是在同一层的信号线与Dummy Pattern的间距的间距t要按以上的要求作要按以上的要求作 就是如下图的情形就是如下图的情形 L3有阻抗控制要求时有阻抗控制要求时 L3层的信 号线与另一层中 层的信 号线与另一层中 图中是以图中是以L4为例为例 的的Dummy Pattern的间距的间距t也要按以上的要求作也要按以上的要求作 而对于共面类型的阻抗而对于共面类型的阻抗 则由设计者则由设计者 客户客户 规定间距规定间距 信号线与旁边铜条的间距本身就是共面类型阻抗的组成部分信号线与旁边铜条的间距本身就是共面类型阻抗的组成部分 不得客户同意不得客户同意 不能改动 为保证间距 所以旁边的铜线或大铜条也要振粗 不能改动 为保证间距 所以旁边的铜线或大铜条也要振粗 9 单线或双线阻抗 单线或双线阻抗 各有各有2个或个或4个测试孔个测试孔 一定要保证它们的孔心相对距离不变一定要保证它们的孔心相对距离不变 见见P 否则不能进行测试否则不能进行测试 为为2 50mm 钻孔大小钻孔大小0 8mm 1 30mm 指客来指客来Design 若本厂设计参见第五点要求若本厂设计参见第五点要求 如果 如果 客户已在客户已在PCB内设计有测试内设计有测试Pattern PPE相关人员检查其设计是否适合本厂的测试仪器要相关人员检查其设计是否适合本厂的测试仪器要 求 若不适合 咨询客户更改设计以方便本厂测试 如不同意 另设计求 若不适合 咨询客户更改设计以方便本厂测试 如不同意 另设计Coupon以便能够测试以便能够测试 10 一般情况下 一般情况下 信号线长度做到信号线长度做到6 以上 以上 11 若无特别指示 所有大铜皮 内层距 若无特别指示 所有大铜皮 内层距Coupon的外形的外形0 50mm 外层距外层距Coupon的外形的外形0 30mm 11 内