PCB阻抗设计详解

1、前言

  随着科技发展, 尤其在积体电路的材料之进步,使运算速度有显著提升, 促使积体电路走向高密度﹑小体积, 单一零件, 这些都导致今日及未來的印刷电路板走向高频响应, 高速率数位电路之运用, 也就是必須控制线路的阻抗﹑低失真﹑低干扰及低串音及消除电磁干扰EMI。阻抗设计在PCB设计中显得越来越重要。作为PCB制造前端的制前部,负责阻抗的模拟计算,阻抗条的设计。客户对阻抗控制要求越来越严,而阻抗管控数目也原来越多,如何快速,准确地进行阻抗设计,是制前人员非常关注的一个问题。 

  2、阻抗主要类型及影响因素

  阻抗(Zo)定义:对流经其中已知频率之交流电流所产生的总阻力称为阻抗(Zo)。对印刷电路板而言,是指在高频讯号之下,某一线路层(signal layer)对其最接近的相关层(reference plane)总合之阻抗。

  2.1 阻抗类型:

  (1)特性阻抗 在计算机﹑无线通信等电子信息产品中, PCB的线路中的传输的能量, 是一种由电压与时间所构成的方形波信号(square wave signal, 称为脉冲pulse),它所遭遇的阻力则称为特性阻抗。

  (2)差动阻抗 驱动端输入极性相反的两个同样信号波形,分別由两根差动线传送,在接收端这两个差动信号相減。差动阻抗就是两线之間的阻抗Zdiff。

  (3)奇模阻抗 两线中一线對地的阻抗Zoo,两线阻抗值是一致。

  (4)偶模阻抗 驱动端输入极性相同的两个同样信号波形, 將两线连在一起时的阻抗Zcom。

  (5)共模阻抗 两线中一线对地的阻抗Zoe,两线阻抗值是一致,通常比奇模阻抗大。

  其中特性和差动为常见阻抗,共模与奇模等很少见。

  2.2 影响阻抗的因素:

  W-----线宽/线间 线寬增加阻抗变小,距离增大阻抗增大; 
  H----绝缘厚度 厚度增加阻抗增大;
  T------铜厚 铜厚增加阻抗变小; 
  H1---绿油厚 厚度增加阻抗变小;
  Er-----介电常数 参考层 DK值增大, 阻抗減小; 
  Undercut----W1-W undercut增加, 阻抗變大。

  3、阻抗计算自动化

  如今,我们业界最常用的阻抗计算工具是Polar公司提供的Si8000 Field Solver,Si8000是全新的边界元素法场效解计算器软件,建立在我们熟悉的早期Polar阻抗设计系统易于使用的用户界面之上。此软件包含各种阻抗模块,人员通过选择特定模块,输入线宽,线距,介层厚度,铜厚,Er值等相关数据,可以算出阻抗结果。一个PCB阻抗管控数目少则4,5组,多则几十组,每一组的管控线宽,介层厚度,铜厚等都不同,如果一个个去查数据,然后手动输入相关参数计算,非常费时且容易出错。

  下面,将介绍如何通过业界领先的制前设计工程软件解决方案供货商奥宝科技的InPlan软件,自动地进行阻抗设计,大幅提高制前工作效率。

  奥宝科技的InPlan系统,可与Si8000连接,在以下数据库建立的基础上,自动计算阻抗:首先,在InPlan建立完整的物料库,按不同厂商,型号归类。建入依厂内实际制程参数得出的压合厚度,基板铜厚,PP含胶量等数据。

  然后,在InPlan里建立算阻抗的规则Rule,如绿油厚度,Undercut值也可根据不同的铜厚,阻抗模块或内外层的不同设定规则。介电常数则主要根据材料种类,阻抗模块的不同分别写入公式。阻抗值,阻抗线宽公差也通过InPlan Rule写入规则。算阻抗时,InPlan根据规则自动带出相关的阻抗影响参数值,算出最优化的阻抗结果。且不管有多少组阻抗,只需点一个按钮,几秒钟的时间就可以得出所有结果。

  4、自动生成阻抗条

  如果客戶沒有自己设计阻抗条, 我们就需要自行设计阻抗条放于板边或者折断边上(一般情況下阻抗条放于折断边需要客戶的同意)。电路板制造商在电路板边设计满足客戶阻抗控制所有特征及参数的阻抗条,通过测试阻抗条的阻抗值,反映出电路板达到客戶阻抗控制要求。要正确测试板内阻抗值,关键在于阻抗条的设计。

  一般PCB厂阻抗条设计方式为:MI工程师根据算出的阻抗结果填写阻抗附件表格,如阻抗值,参考层,管控线宽,测试孔,参考层属性(正负片)等。

  然后,CAM工程师根据MI提供的阻抗表格,手动制作阻抗条,或通过Script,输入相关阻抗数据,用程式跑阻抗条。一般情況下, 一种阻抗值我们就设计一个阻抗条,制作一个阻抗条,一般都需10来分钟,重复的手动数据填写,非常费时,且容易出错。

  我们可通过奥宝的InCoupon 功能,将阻抗条的相关规则建入系统,可自动产生高品质阻抗条,直接导入Genesis系统。InCoupon 采用嵌入式发展架构,在半成品层级时即能侦测出层板间最理想的钻孔位置,使现有板层的钻孔作业可与 Coupon 线路层之间完全吻合,整合了完整的 CAM 与工程技术,产生出阻抗量测用的Coupon线路、发展架构与半成品表,并且可对Coupon 层级找出最理想的相互连接能力,以智慧型操作精灵取代复杂、手动计算,可在数秒间自动运算出可靠的量测线路Coupon,让Coupon 的设计变成一项简单且标准的工作。

  5、总结

  PCB的竞争越来越激烈,样品交期越来越短,阻抗设计在制前工作中占了很大的比例,如何缩短阻抗制作时间,做出满足客户要求的阻抗匹配,是制前部必需考虑的一个问题。InPlan和InCoupon的出现,给阻抗设计提供了很好的帮助。当然,各PCB板厂自己的阻抗计算规则,Layout方式与大小都会不一样,InPlan系统需专人进行开发,维护,才能真正实现其功能。但相信,阻抗设计的自动化,将在PCB制前部越来越普及。

镀层T=2.1 
内层T=1.4

计算例子ZY:


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