PCB設計過程中如何考慮阻抗控制和疊層設計？

瑞興諾PCB

PCB設計過程中如何考慮阻抗控制和疊層設計？

（以下文字均從網絡轉載，歡迎大家補充，指正。）
隨著 PCB 信號切換速度不斷增長，當今的 PCB 設計廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應于現代數字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線。

在實際情況中，需要在數字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時控制跡線阻抗。PCB 跡線的關鍵參數之一是其特性阻抗（即波沿信號傳輸線路傳送時電壓與電流的比值）。印制電路板上導線的特性阻抗是電路板設計的一個重要指標，特別是在高頻電 路的PCB設計中，必須考慮導線的特性阻抗和器件或信號所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點討論阻抗控制和疊層設計的問題。

阻抗控制

阻抗控制（eImpedance Controling），線路板中的導體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導線寬度等不同因素，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導體，其阻抗值應控制在某一范圍之內，稱為“阻抗控制”。

PCB 跡線的阻抗將由其感應和電容性電感、電阻和電導系數確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有： 銅線的寬度、銅線的厚度、介質的介電常數、介質的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。

在實際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個導線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質組成。跡線和板層構成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結構，并且控制阻抗也可以采用各種方式來構建。但是，無論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結構和絕緣材料的電子特性決定：

信號跡線的寬度和厚度

跡線兩側的內核或預填材質的高度

跡線和板層的配置

內核和預填材質的絕緣常數

PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。

微帶線（Microstrip）：

微帶線是一根帶狀導線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數 Er 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。


帶狀線（Stripline）：

帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導線，電介質的介電常數可以不同。具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結構相關。

用于計算特性阻抗的等式需要復雜的數學計算，通常使用場求解方法，其中包括邊界元素分析在內，因此使用專門的阻抗計算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數：

絕緣層的介電常數Er、走線寬度W1、W2（梯形）、走線厚度T和絕緣層厚度H。

對于W1、W2的說明：

計算值必須在紅框范圍內。其余情況類推。

下面利用SI9000計算是否達到阻抗控制的要求：

首先計算DDR數據線的單端阻抗控制：

TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數為4.2。選擇模型，代入參數，選擇lossless calculation，如圖所示：

coating表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數）填1（空氣）。

substrate表示基板層，即電介質層，一般采用FR-4，厚度是通過阻抗計算軟件計算得到，介電常數為4.2（頻率小于1GHz時）。

點擊Weight（oz）項，可以設定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。

9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：

PP（prepreg）是種介質材料，由玻璃纖維和環氧樹脂組成，core其實也是PP類型介質，只不過他的兩面都覆有銅箔，而PP沒有，制作多層板時，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。

10、PCB疊層設計中的注意事項：

（1）、翹曲問題

PCB的疊層設計要保持對稱，即各層的介質層厚、鋪銅厚度上下對稱，拿六層板來說，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時候不會出現翹曲。

（2）、信號層應該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號層和鄰近敷銅層之間的介質厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應該緊密耦合。

（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。

（4）、層的排布一般原則：

元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；

所有信號層盡可能與地平面相鄰；

盡量避免兩信號層直接相鄰；

主電源盡可能與其對應地相鄰；

兼顧層壓結構對稱。

對于母板的層排布，現有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ 以上的

（50MHZ 以下的情況可參照，適當放寬），建議排布原則：

元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；

無相鄰平行布線層；

所有信號層盡可能與地平面相鄰；

關鍵信號與地層相鄰，不跨分割區。