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阻抗PCB叠层设计及特性阻抗计算

发布时间:2022/11/9

阻抗PCB叠层设计是硬件工程师和PCB工程师必备技能之一,Layout工程师会依据叠层设计进行Layout设计,包括线宽、线距、差分走线等设置 。特性阻抗匹配是指在信号能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了,反之则在传输中有能量损失,故掌握特性阻抗的计算也很重要。
1.阻抗分类
1)单端阻抗(Single Ended Impedance):单根信号线测得的阻抗(常用);
2)差分阻抗(Differential Impedance):差分驱动时在两条等宽等距的传输线测得的阻抗(常用);
3)共面阻抗(Coplanar Impedance):信号线在其周围GND/VCC之间传输时所测试到得阻抗(不常用)。
2.阻抗影响因素
1)正比因素:线路层与接地层间介质厚度H1/H2/H3、相邻线路与线路间的距离S;
2)反比因素:介电常数Er、线底宽度W1、线面宽度W2、铜厚T、基材阻焊厚度C1、线面阻焊厚度C2、线间阻焊厚度C3、阻焊介电常数CEr。
故关系式可以理解为Z=HS/Er*W*T*C*CEr。
3.叠层设计
1)确定基材:根据产品的使用环境要求和板厂备料情况,选择合适的PCB板材(提取Er),常见的有:Tg=150的生益S1411 150板材,Tg=180的台耀TU-768板材。
2)确定板厚:根据产品要求或者设备结构要求,确定线路板的成品板厚,常见的有:0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm,误差一般为10%。
3)确定板层数:根据元器件的密集程度以及信号复杂程度,确定线路板的布线层数,常见的有:单层、双层、4层、6层、8层及以上。
4)确定布线层布局:根据产品的特性进行布线层的布局,比如4层板有:Top(Singel)-L2(GND)-L3(GND/VCC)-Bottom(Singel),此方式适用于大部分的电子设备,SI性能较好;Top(GND)-L2(Singel/VCC)-L3(Singel/VCC)-Bottom(GND),此方式适用于射频类电子设备,EMI性能较好。
5)确定特性阻抗值:根据产品的所有信号类型及特性,确定所有需要管控特性阻抗的阻抗值,常见的有:单端特性阻抗=45/50/55/60欧姆,差分特性阻抗=85/90/100欧姆。
6)设计叠层参数:依据所需阻抗值,使用Polar-Si9000软件设计管控信号线的各层线宽、线距、层间介质厚度、铜厚、阻焊厚度等参数设计合理的叠层参数,一般线宽选择≥4mil、线距选择≥5mil,信号层和参考层的介质厚度在2.5mil≤H≤6mil,内层铜厚=1oz,外层铜厚+Plating=0.5oz。
7)设计叠层表:设计叠层表以供板厂确认,板厂会进行微调及确认,得到最终的叠构表。如下图1所示为通用型叠层表,图2为专用型叠层表。
注:通用型叠层表:需要额外提供叠层信息给板厂,并将表格中不需要管控特性阻抗部分的信息隐藏起来,只留需要管控的部分。
专用型叠层表:叠层信息比较全面,无需额外提供资料,管控的特性阻抗也提取出来。