隨著電路設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜和高速，如何保證各種信號(hào)（特別是高速信號(hào)）完整性，也就是保證信號(hào)質(zhì)量，成為難題。此時(shí)，需要借助傳輸線理論進(jìn)行分析，控制信號(hào)線的特征阻抗匹配成為關(guān)鍵，不嚴(yán)格的阻抗控制，將引發(fā)相當(dāng)大的信號(hào)反射和信號(hào)失真，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。常見(jiàn)的信號(hào)，如PCI總線、PCI-E總線、USB、以太網(wǎng)、DDR存、LVDS信號(hào)等，均需要進(jìn)行阻抗控制。阻抗控制最終需要通過(guò)PCB設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)PCB板工藝也提出更高要求，經(jīng)過(guò)與PCB廠的溝通，并結(jié)合EDA軟件的使用，我對(duì)這個(gè)問(wèn)題有了一些粗淺的認(rèn)識(shí)，愿和大家分享。

多層PCB板的結(jié)構(gòu)：

為了很好地對(duì)PCB進(jìn)行阻抗控制，首先要了解PCB的結(jié)構(gòu)：

通常我們所說(shuō)的多層板是由芯板和半固化片互相層疊壓合而成的，芯板是一種硬質(zhì)的、有特定厚度的、兩面包銅的板材，是構(gòu)成印制板的基礎(chǔ)材料。而半固化片構(gòu)成所謂的浸潤(rùn)層，起到粘合芯板的作用，雖然也有一定的初始厚度，但是在壓制過(guò)程中其厚度會(huì)發(fā)生一些變化。

通常多層PCB板最外面的兩個(gè)介質(zhì)層都是浸潤(rùn)層，在這兩層的外面使用單獨(dú)的銅箔層作為外層銅箔。外層銅箔和層銅箔的原始厚度規(guī)格，一般有0.5OZ、1OZ、2OZ（1OZ約為35um或1.4mil）三種，但經(jīng)過(guò)一系列表面處理后，外層銅箔的最終厚度一般會(huì)增加將近1OZ左右。層銅箔即為芯板兩面的包銅，其最終厚度與原始厚度相差很小，但由于蝕刻的原因，一般會(huì)減少幾個(gè)um。

多層線路板的最外層是阻焊層，就是我們常說(shuō)的“綠油”，當(dāng)然它也可以是黃色或者其它顏色。阻焊層的厚度一般不太容易準(zhǔn)確確定，在表面無(wú)銅箔的區(qū)域比有銅箔的區(qū)域要稍厚一些，但因?yàn)槿鄙倭算~箔的厚度，所以銅箔還是顯得更突出，當(dāng)我們用手指觸摸印制板表面時(shí)就能感覺(jué)到。

當(dāng)制作某一特定厚度的印制板時(shí)，一方面要求合理地選擇各種材料的參數(shù)，另一方面，半固化片最終成型厚度也會(huì)比初始厚度小一些。下面是一個(gè)典型的6層板疊層結(jié)構(gòu)：

PCB的參數(shù)：

不同的印制板廠，PCB的參數(shù)會(huì)有細(xì)微的差異，通過(guò)與嘉捷通電路板廠技術(shù)支持的溝通，得到該廠的一些參數(shù)數(shù)據(jù)：

表層銅箔：

可以使用的表層銅箔材料厚度有三種：12um、18um和35um。加工完成后的最終厚度大約是44um、50um和67um。

芯板：

我們常用的板材是S1141A，標(biāo)準(zhǔn)的FR-4，兩面包銅，可選用的規(guī)格可與廠家聯(lián)系確定。

半固化片：

規(guī)格（原始厚度）有7628（0.185mm），2116（0.105mm），1080（0.075mm），3313（0.095mm ），實(shí)際壓制完成后的厚度通常會(huì)比原始值小10-15um左右。同一個(gè)浸潤(rùn)層最多可以使用3個(gè)半固化片，而且3個(gè)半固化片的厚度不能都相同，最少可以只用一個(gè)半固化片，但有的廠家要求必須至少使用兩個(gè)。如果半固化片的厚度不夠，可以把芯板兩面的銅箔蝕刻掉，再在兩面用半固化片粘連，這樣可以實(shí)現(xiàn)較厚的浸潤(rùn)層。

阻焊層：

銅箔上面的阻焊層厚度C2≈8-10um，表面無(wú)銅箔區(qū)域的阻焊層厚度C1根據(jù)表面銅厚的不同而不同，當(dāng)表面銅厚為45um時(shí)C1≈13-15um，當(dāng)表面銅厚為70um時(shí)C1≈17-18um。

導(dǎo)線橫截面：

以前我一直以為導(dǎo)線的橫截面是一個(gè)矩形，但實(shí)際上卻是一個(gè)梯形。以TOP層為例，當(dāng)銅箔厚度為1OZ時(shí)，梯形的上底邊比下底邊短1MIL。比如線寬5MIL，那么其上底邊約4MIL，下底邊5MIL。上下底邊的差異和銅厚有關(guān)，下表是不同情況下梯形上下底的關(guān)系。

介電常數(shù)：

半固化片的介電常數(shù)與厚度有關(guān)，下表為不同型號(hào)的半固化片厚度和介電常數(shù)參數(shù)：

板材的介電常數(shù)與其所用的樹(shù)脂材料有關(guān)，F(xiàn)R4板材其介電常數(shù)為4.2—4.7，并且隨著頻率的增加會(huì)減小。

介質(zhì)損耗因數(shù)：電介質(zhì)材料在交變電場(chǎng)作用下，由于發(fā)熱而消耗的能量稱之謂介質(zhì)損耗，通常以介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ表示。S1141A的典型值為0.015。

能確保加工的最小線寬和線距：4mil/4mil。

阻抗計(jì)算的工具簡(jiǎn)介

當(dāng)我們了解了多層板的結(jié)構(gòu)并掌握了所需要的參數(shù)后，就可以通過(guò)EDA軟件來(lái)計(jì)算阻抗?？梢允褂肁llegro來(lái)計(jì)算，但這里我向大家推薦另一個(gè)工具Polar SI9000，這是一個(gè)很好的計(jì)算特征阻抗的工具，現(xiàn)在很多印制板廠都在用這個(gè)軟件。

無(wú)論是差分線還是單端線，當(dāng)計(jì)算層信號(hào)的特征阻抗時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)Polar SI9000的計(jì)算結(jié)果與Allegro僅存在著微小的差距，這跟一些細(xì)節(jié)上的處理有關(guān)，比如說(shuō)導(dǎo)線橫截面的形狀。但如果是計(jì)算表層信號(hào)的特征阻抗，我建議你選擇Coated模型，而不是Surface模型，因?yàn)檫@類模型考慮了阻焊層的存在，所以結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。下圖是用Polar SI9000計(jì)算在考慮阻焊層的情況下表層差分線阻抗的部分截圖：

由于阻焊層的厚度不易控制，所以也可以根據(jù)板廠的建議，使用一個(gè)近似的辦法：在Surface模型計(jì)算的結(jié)果上減去一個(gè)特定的值，我建議差分阻抗減去8歐姆，單端阻抗減去2歐姆。

PCB阻抗控制

隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長(zhǎng)，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線不再是簡(jiǎn)單的連接，而是傳輸線。

在實(shí)際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過(guò)300Mhz時(shí)控制跡線阻抗。PCB跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號(hào)傳輸線路傳送時(shí)電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個(gè)概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

什么是PCB阻抗控制？

阻抗控制(eImpedance Controling)，線路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)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(dǎo)線寬度等不同因素，將會(huì)造成阻抗值得變化，使其信號(hào)失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一圍之，稱為“阻抗控制”。

PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)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(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的圍是 25 至120 歐姆。

在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個(gè)導(dǎo)線跡線、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來(lái)構(gòu)建。但是，無(wú)論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：

• 信號(hào)跡線的寬度和厚度

• 跡線兩側(cè)的核或預(yù)填材質(zhì)的高度

• 跡線和板層的配置

• 核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)

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

由于篇幅有限，欲了解更多關(guān)于 PCB阻抗控制設(shè)計(jì)更多的內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊這里下載。