特征阻抗的计算与控制

1 目录目录 摘要.2 前言.4 第一章 特征阻抗的基本概念.5 1.1 特征阻抗的定义.5 1.2 特征阻抗定义的解析.5 1.3 特征阻抗的意义.5 第二章 特征阻抗的计算与控制.6 2.1 阻抗控制的定义.6 2.2 影响 PCB 迹线阻抗的因素.6 2.3 PCB 传输线的主要形式.7 2.4 特征阻抗的计算.8 2.5 常用的几种计算模块.11 第三章 研究总结.14 3.1 差分线阻抗的控制.14 3.2 PCB 设计前的准备工作.14 3.3 关于介电常数 ER的问题.14 第四章 PCB 的叠层设计和制作工艺流程（扩展）.16 4.1 PCB 的叠层设计.16 4.2 PCB 制作工艺流程.17 4.3 重要流程的详解.18 致谢.20 参考文献.21 附录.22 2 摘要摘要：本文首先介绍了特征阻抗的基本概念和意义；其次阐述了影响特征阻抗的主要因 素；接着介绍了如何进行特征阻抗的计算与控制；最后是对此研究的经验总结。 关关键词键词： ：特征阻抗、概念、计算、总结 3 Abstract:：This paper first introduces the basic concepts and the significance of characteristic impedance; secondly describes the effects of main factors of characteristic impedance; then introduced how to characteristic impedance calculation and control; the last is the summary of experiences in this study. Key words: characteristic impedance, concept, calculation, summary 4 前言前言 随着 PCB 信号切换速度不断加快，当今的 PCB 设计者需要理解和控制 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。因为特征阻抗在传输中是否保持一致将影响到信号的完整性从 而导致信号的失真，由此可见对信号的特征阻抗控制已变得极为重要。 5 第一章第一章 特征阻抗的基本概念特征阻抗的基本概念 1.1 特征阻抗的定义特征阻抗的定义 特征阻抗，又称为特性阻抗，它是在甚高频、超高频范围的概念1。那什么是特 征阻抗呢？在信号的传输过程中，在信号沿到达的地方，信号线和参考平面（参考平 面指的是电源平面或者是地平面）之间由于电场的建立，就会产生一个瞬间的电流， 如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就会始终存在一个电流 I，而如果信 号的输出电平为 V，则在信号传输过程中传输线就会等效成一个电阻，大小为 V/I，我 们把这个等效的电阻称为传输线的特征阻抗（Characteristic Impedance）Z. 1.2 特征阻抗定义的解析特征阻抗定义的解析 首先，必须明白特征阻抗跟线的阻抗的区别，特征阻抗属于传输线的概念，指的 是传输线上点的阻抗，而线的阻抗（一般称为电阻）是对与直流而言的；其次传输线 又分为微带线和带状线，微带线是指只有一个参考平面的传输线，带状线是指有两个 参考平面的传输线；最后特征阻抗是对交流信号而言，对直流信号来说传输线的电阻 并不是 Z，而是远远小于这个值（也就是所说的直流电阻） 。 1.3 特征阻抗的意义特征阻抗的意义 信号在传输的过程中，如果传输线上的特征阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连 续的结点上产生反射，后果就是 EMI（电磁干扰）有问题，信号不完整。 6 第二章第二章 特征阻抗的计算与控制特征阻抗的计算与控制 2.1 阻抗控制的定义阻抗控制的定义 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 素的变化，将会造成阻抗值的变化，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”。 2.2 影响影响 PCB 迹线阻抗的因素迹线阻抗的因素 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，如图 2.1 所示。PCB 阻抗的范围是 25 至 120 欧姆。 图 2.1 H1:介质厚度(PP片或者板材,不包括铜厚) Er1:PP片的介电常数 W1:阻抗线下线宽 W2:阻抗线上线宽(W2=W1-1MIL) S1:阻抗线间距 G1:地线下线宽 G2:地线上线宽 D1:阻抗线到地的距离 T1:成品铜厚 C1:基材的绿油厚度 C2:铜皮或走线上的绿油厚度 C3:基材上面的绿油厚度 7 Cer:绿油的介电常数 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2。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 2.3 PCB 传输线的主要形式传输线的主要形式 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 2.2 图所示： 图 2.2 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图 2.3 所示的模型进行计算： 8 图 2.3 带状线（Stripline）： 带状线是置于两个参考平面之间的带状导线，如图 2.4 所示，H1 和 H2 代表的电介质 的介电常数可以不同。 图 2.4 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。 2.4 特征阻抗的计算特征阻抗的计算 用于计算特特征阻抗的等式需要复杂的数学计算，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： 9 图 2.5 ABase copper thk For inner layerFor outer layer H OZ0.5MIL0.8MIL 1 OZ1.0MIL1.2MIL 2 OZ1.5MIL1.6MIL 表 2.1 此处的 W=W1，W1=W2. 规则：W1=W-A W-设计线宽 AEtch loss (见表 2.1)（通常情况下取 1mil 就可以了） 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 COPPER THICKNESS Base copper thk For inner layer For outer layer H OZ 0.6mil 1.8mil 1 OZ 1.2MIL 2.5MIL 2 OZ 2.4MIL 3.6MIL （一般信号层的成品铜厚：外层 1OZ=1.4mil，而内层考虑蚀刻的因素，我们通常认为 内层 1OZ=1.2mil，而 0.5OZ=0.6mil。 ） 绿油厚度： 因绿油厚度对阻抗影响较小，故假定为定值 1mil。 我们可以通过控制这几个参数来达到阻抗控制的目的，下面以我们公司常用的底 板 PCB 为例说明阻抗控制的步骤和 SI9000 的使用： 如下图 2.6 是四层板的层叠结构： 10 图 2.6 从制板厂提供的板材数据可以得到如下计算参数： 板材 FR-4， 板厚 1.6mm+/-10%， 铜厚 1 OZ（1.4mil） 半固化片(PP) 2116(4.0- 5.0mil)，介电常数 4.2 阻焊油厚度 0.60.2mil，介电常数 3.5+/-0.3 我们以 USB 信号为例进行计算，USB 信号线的特性差分阻抗为 90+/-10% ohm . 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 图 2.7 如图 2.7 所示，计算值必须在黑框范围内 58.8-61.2ohm。其余情况类推。 所以 USB 信号线的计算值须在 88.2-91.8ohm 之间，而 USB 信号线是以差分包地 的方式走线的，且与中间一层做为参考面，所以选用如图 2.8 包地差分的模块来进行计 算： 11 图 2.8 H1:介质厚度(PP片或者板材,不包括铜厚) Er1:PP片的介电常数 W1:阻抗线下线宽 W2:阻抗线上线宽(W2=W1-1MIL) S1:阻抗线间距 D1:阻抗线到地的距离 G1:地线下线宽 G2:地线上线宽 T1:成品铜厚 C1:基材的绿油厚度 C2:铜皮或走线上的绿油厚度 C3:基材上面的绿油厚度 Cer:绿油的介电常数 Zo:信号线的特征阻抗值 利用所知的数据可以计算出如上图 USB 信号走线的数据：线宽、间距 6/6/6mil 差分信号与屏蔽地线距离 18mil(符合 3W 准则)。 同理，双面板与四层板都是用微带线传输方式计算的。对于六层及六层板以上的 内层则采用带状线传输方式计算。 2.52.5 常用的几种计算模块常用的几种计算模块 下面介绍几种常用到的计算模块： 12 模块一： 模块一用在双面板和四层板中计算传输线的单端阻抗 模块二 模块二用在双面板和四层板中计算传输线的差分阻抗 13 模块三 模块三用在双面板和四层板中计算单端包地的传输线阻抗 模块四 模块四用在双面板和四层板中计算差分包地的传输线阻抗 14 模块五 模块五用在六层及六层板以上的内层传输线的单端阻抗，同理其他的多层板内层都是 用带状线模块来计算的。 第三章第三章 研究总结研究总结 3.13.1 差分线阻抗的控制差分线阻抗的控制 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3。 3.2 PCB 设计前的准备工作设计前的准备工作 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和间距都需要事先计算得出，这些就是 PCB 的前端仿真，保证重要的信号线的阻抗控制满足设计要求。 3.3 关于介电常数关于介电常数 Er 的问题的问题 15 1、以我们使用最多的 FR-4 介质的材料板为例：实际多层板是芯板和压合树脂层堆叠 而成，其芯板本身也是由半固化片组合而成。常用的三种半固化片技术指标如表 3.1 所示。 半固化片编号Er(f=1GHZ)h(mm) 10803.60.075 21164.20.105 76284.50.175 表 3.1 半固化片组合的介电常数不是简单的算术平均，甚至在构成微带线和带状线时的 Er 值也有所不同。另一方面，FR-4 的 Er 也随信号频率的变化有一定改变，不过在 1GHz 以下一般认为 FR-4 材料的 Er 值约 4.2。通常计算时采用 4.2。 当我们计算层叠结构时候通常需要把几张 PP 叠在一起,例如:2116+106,其厚度为 0.15MM,即 6MIL;1080*2+7628,其厚度为 0.31MM,即 12.2MIL 等.但需注意以下几点:1, 一般不允许 4 张或 4 张以上 PP 叠放在一起,因为压合时容易产生滑板现象.2,7628 的 PP 一般不允许放在外层,因为 7628 表面比较粗糙,会影响板子的外观.3,另外 3 张 1080 也不允许放在外层,因为压合时也容易产生滑板现象. 2、在实际的阻抗控制中，一般采用介质为 FR-4，其 Er 约 4.2，线条厚度 t 对阻抗影响 较小，实际主要可以调整的是 H 和 W，W(设计线宽)一般情况下是由设计人员决定的， 但在设计时应充分考虑线宽对阻抗的配合性和实际加工精度。当然，采用较小的 W 值 后线条厚度 t 的影响就不容忽视了。H(介质层厚度)对阻抗控制的影响最大，实际 H 有 两类情况：一种是芯板，材料供应商所提供的板材中 H 的厚度也是由以上三种半固化 片组合而成，但其在组合的过程中必然会考虑三种材料的特性，而绝非无条件的任意 组合，因此板材的厚度就有了一定的规定，形成了一个相应的清单，同时 H 也有了 一 定的限制。如 0.17mm 1/1 的芯板为 2116 1，0.4mm 1/1 的芯板为 10802+76281 等。 另一种 是多层板中压合部分的厚度：其方法基本上与前相同但需注意铜层的损失。如内电层 间用半固化片进行填充，因在制作内层的过程中铜箔被蚀刻掉的部分很少，则半固化 片中树脂对该区的填充亦很少，则半固化片的厚度损失可忽略。反之，如信号层之间 用半固化片进行填充，由于铜箔被蚀刻掉的部分较多，则半固化片的厚度损失会很大 且难以估计。因此，有人建议在内层的信号层要求铺铜以减少厚度损失。 3、特征阻抗与传输线的宽度是成反比的,宽度越宽，阻抗越低,反之则阻抗更高。 16 第四章第四章 PCBPCB 的叠层设计和制作工艺流程（扩展）的叠层设计和制作工艺流程（扩展） 4.14.1 PCBPCB 的叠层设计的叠层设计 1、在有些板的设计要求中对板层厚度有限制时，此时要达到比较好的阻抗控制，采用 好的叠层设计非常关键。从实际的计算中可以得出以下结论： a. 每个信号层都要有参考平面相邻, 能保证其阻抗和信号质量; b. 每个电源层都要有完整的地平面相邻, 使得电源的性能得以较好的保证; 2、PADS LAYOUT 中层定义选项卡各个参数的解释说明： 17 图 4.1 如图 4.1 所示，coating 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）。 substrate 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。 3、绝缘层的 Prepreg/Core 的概念： PP（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。 4、PCB 叠层设计中的注意事项： （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。 （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。 （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。 （4）、典型的叠层设计层分布如表 4.1 所示： 层数123456789101112 4SGNDPWRS 4GNDSSPWR 6SSGNDPWRSS 6SGNDSSPWRS 6SPWRGNDSGNDS 8SGNDSGNDPWRSGNDS 18 8SSGNDSSPWRSS 10SGNDSSGNDPWRSSGNDS 10SSPWRGNDSSGNDPWRSS 12SGNDSSPWRSSPWRSSGNDS 12SGNDSPWRSPWRSGNDSSPWRS 常用多层 PCB 叠层设计配置 表 4.1 4.24.2 PCBPCB 制作工艺流程制作工艺流程 1、单面板工艺流程 开料钻孔印线路全板镀金蚀刻检验印阻焊喷锡印字符成形 成品检查过松香包装 2、双面板喷锡板工艺流程 开料钻孔沉铜加厚图形转移电铜电锡蚀刻退锡检验印阻焊印字 符喷锡成形测试成品检查包装 3、双面板镀镍金工艺流程 开料钻孔沉铜加厚图形转移镀镍、金去膜蚀刻二次钻孔检验丝印 阻焊丝印字符成形测试检验 4、多层板喷锡板工艺流程 开料钻定位孔内层图形内层蚀刻检验黑化层压钻孔沉铜加厚 图形转移(外层)镀锡、蚀刻退锡二次钻孔检验印阻焊印字符喷锡成形 测试成品检查包装 5、多层板镀镍金工艺流程 开料钻定位孔内层图形内层蚀刻检验黑化层压钻孔沉铜加厚 图形转移(外层)镀金、去膜蚀刻二次钻孔检验丝印阻焊丝印字符成形 测试成品检查包装 6、多层板沉镍金板工艺流程 开料钻定位孔内层图形内层蚀刻检验黑化层压钻孔沉铜加厚 图形转移(外层)镀锡、蚀刻退锡二次钻孔检验丝印阻焊化学沉镍金丝印 字符成形测试成品检查包装 4.34.3 重要流程的详解重要流程的详解 1、开料 目的：根据工程资料 MI 的要求，在符合要求的大张板材上，裁切成小块生产板件符 合客户要求的小块板料。 流程：大板料按 MI 要求切板锔板啤圆角、磨边出板 2、钻孔 目的：根据工程资料（客户资料） ，在所开符合要求尺寸的板料上，相应的位置钻出所 求的孔径。 19 流程：叠板销钉上板钻孔下板检查、修理 3、沉铜 目的：沉铜是利用化学方法在绝缘孔壁上沉积上一层薄铜 流程：粗磨挂板沉铜自动线下板浸 1%稀 H2SO4加厚铜 4、图形转移 目的：图形转移是生产菲林上的图像转移到板上 流程：（蓝油流程）：磨板印第一面烘干印第二面烘干爆光冲影检查； （干膜流程）：麻板压膜静置对位曝光静置冲影检查 5、图形电镀 目的：图形电镀是在线路图形裸露的铜皮上或孔壁上电镀一层达到要求厚度的铜层与 要求厚度的金镍或锡层 流程：上板除油水洗二次微蚀水洗酸洗镀铜水洗浸酸镀锡水洗 下板。 6、退膜 目的：用 NaOH 溶液退去抗电镀覆盖膜层使非线路铜层裸露出来 流程：水膜：插架浸碱冲洗擦洗过机；干膜：放板过机 7、蚀刻 目的：蚀刻是利用化学反应法将非线路部位的铜层腐蚀去 8、绿油 目的：绿油是将绿油菲林的图形转移到板上，起到保护线路和阻止焊接零件时线路上 锡 的作用。 流程：磨板印感光绿油锔板曝光冲影；磨板印第一面烘板印第二面 烘 板。 9、字符 目的：字符是提