PCB常用阻抗设计及叠层解读.docx

1、PCB常用阻抗设计及叠层解读PCB阻抗设计及叠层 前言 随着信号传输速度的迅猛提高以及高频电路的广泛应用,对印刷电路板也提出了更高的要求要得到完整可靠精确无干扰噪音的传输信号就必须保证印刷电路板提供的电路性能保证信号在传输过程中不发生反射现象,信号完整,传输损耗低,起到匹配阻抗的作用为了使信号,低失真低干扰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 对我们而言，除了要保证PCB板的短、断路合格外，还要保证阻抗值在规定的范围内，只有这两方向都合格了印刷板才符合客户的要求。牧泰莱电路技术有限公司作为快速响应市场的PCB制造服务商,在建厂以来我们就对阻抗进行了大量的研究和开发并且

2、该类产品已成为公司的特色产品,在pcb业界留下很好的口碑随着“阻抗”的进一步扩展和延伸,我们作为专业的PCB制造服务商,为能向客户提供优质的产品和高质的服务，对该类PCB的合作方面做如下建议：对于PCB的阻抗控制而言,其所涉及的面是比较广泛的，但在具体的加工和设计时我们一般控制主要四个因素:Er-介电常数H-介质厚度W-走线宽度T-走线厚度 Er(介电常数)大多数板料选用FR-4,该种材料的Er特性为随着加载频率的不同而变化,一般情况下Er的分水岭默认为1GHZ(高频)目前材料厂商能够承诺的指标5.4(1MHz)根据实际加工的经验,在使用频率为1GHZ以下的其Er认为4.2左右1.52.0GH

3、Z的使用频率其仍有下降的空间故设计时如有阻抗的要求则须考虑该产品的当时的使用频率 我们在长期的加工和研发的过程中针对不同的厂商已经摸索出一定的规律和计算公式我们全部采用行业内最好的生益板料，其各项参数都比较稳定。7628-4.5(全部为1GHz状态下)2116-4.2 1080-3.8 H(介质层厚度)该因素对阻抗控制的影响最大,如对阻抗的精确度要求很高,则该部分的设计应力求精准 ,FR-4的H的组成是由各种半固化片组合而成的(包括内层芯板),常用的半固化片为:1080 厚度 0.075MM3313厚度 0.09MM2116 厚度 0.115MM2116H厚度 0.12MM7628 厚度 0.

4、175MM7628H厚度 0.18MM在多层PCB中H一般有两类:A内层芯板中H的厚度:虽然材料供应商所提供的板材中H的厚度也是由以上几种半固化片组合而成,但其在组合的过程中必然会考虑材料的特性,而绝非无条件的任意组合,因此板材的厚度就有了一定的约束,形成了一个相应的板料清单,同时H也有了一定的限制如 0.18mm 1/1 OZ的芯板为: 2116如 0.5mm 1/1 OZ的芯板为:7628*2+1080 B多层板中压合部分的H的厚度:其方法基本上与A相同但需注意层压中由于填胶的损失举例:如GROUNDGROUND 或POWERPOWER之间用半固化片进行填充,因GROUNDPOWER在制作

5、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会很少,则半固化片的厚度损失会很少反之如SIGNALSIGNAL之间用半固化片进行填充SIGNAL在制作内层的过程中铜箔被蚀刻掉的部分较多,则半固化片的厚度损失会很大 因此理论上的计算厚度与实际操作过程所形成的实际厚度会有差异故建议设计时对该因素应予以充分的考虑同时我们在市场部资料审核的岗位也有专人对此通过工具进行计算和校正W(设计线宽)该因素一般情况下是由客户决定的但在设计时应充分考虑线宽对该阻抗值的匹配,即为达到该阻抗值在一定的介质厚度H介电常数Er和使用频率等条件下线宽的使用是有一定的限制的,并且还需考虑厂商可制造性当然阻抗

6、控制不仅仅是上述这些因素,上面所提的只是比较而言影响度较大的几个因素,也只是局限于从PCB的制造厂商的角度来看待该问题的 以下是我们公司在PCB实际生产加工过程中,总结出来的一些PCB板的结构示例。12层以上板于结构比较复杂,因此在实际生产加工过程中再根据具体的要求做具体的分析第一章 阻抗计算工具及常用计算模型1.0 阻抗计算工具pcb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,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,通过选择特定计算模块,输入线宽,间距,介质厚

7、度,铜厚,Er值等相关数据,就可以模拟算出阻抗结果它具有以下两大优点。模型齐全，涵盖了目前所能遇到的所有类型的阻抗分析功能十分强大，除了能进行阻抗测算外，还可以反推参数，并确定公差范围。1.1 阻抗计算模型1.11. 外层单端阻抗计算模型 适用范围：外层线路印阻焊后的单端阻抗计算：H1: 介质厚度Er1: 介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度T1:成品铜厚C1:基材的阻焊厚度C2:铜皮或走线上的阻焊厚度CEr:阻焊的介电常数1.12. 外层差分阻抗计算模型 适用范围：外层线路印阻焊后的差分阻抗计算：H1:介质厚度Er1:介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度S1:阻抗线间

8、距T1:成品铜厚C1:基材的阻焊厚度C2:铜皮或走线上的阻焊厚度C3:基材上面的阻焊厚度CEr:阻焊的介电常数1.13. 外层单端阻抗共面计算模型H1:介质厚度Er1:介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度D1:阻抗线到周围铜皮的距离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CEr:绿油的介电常数 适用范围：外层线路印阻焊后的单端共面阻抗计算：1.14. 外层差分阻抗共面计算模型 适用范围：外层线路印阻焊后的差分共面阻抗计算：H1:介质厚度Er1:介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度D1:阻抗线到两边铜皮的距离T1:成品铜厚C1:基材的绿油厚度C2:铜

9、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1.15. 内层单端阻抗计算模型 适用范围：内层线路单端阻抗计算：H1:介质厚度Er1:介电常数H2:介质厚度Er2:介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度T1:成品铜厚1.16. 内层差分阻抗计算模型 适用范围：内层线路差分阻抗计算：H1:介质厚度Er1:介电常数H2:介质厚度Er2:介电常数W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度S1:阻抗线间距T1:成品铜厚1.17. 内层单端阻抗共面计算模型 适用范围：内层单端共面阻抗计算：H1：介质厚度Er1：H1 对应介质层介电常数H2：介质厚度Er2：H2 对应介质层介电

10、常数W1: 阻抗线底部宽度W2: 阻抗线顶部宽度D1：阻抗线到周围铜皮的距离T1：线路铜厚1.18. 内层差分阻抗共面计算模型 适用范围：内层差分共面阻抗计算：H1：介质厚度H2：介质厚度W1:阻抗线底部宽度W2:阻抗线顶部宽度S1:阻抗线间距D1：阻抗线到周围铜皮的距离T1：线路铜厚Er1：H1 对应介质层介电常数Er2：H2 对应介质层介电常数1.19. 嵌入式单端阻抗计算模型 适用范围:与外层相邻的第二个线路层阻抗计算，例如一个6 层板,L1、L2 ,L5、L6层均为线路层,L3 L4为GND 或VCC层,则L2 L5层的阻抗用此方式计算.H1：介质厚度H2：介质厚度W1: 阻抗线底部宽

11、度W2: 阻抗线顶部宽度T1：线路铜厚Er1：H1 对应介质层介电常数Er2：H2 对应介质层介电常数1.20. 嵌入式单端阻抗共面计算模型 适用范围：内层单端共面阻抗，参考层为同一层面的GND/VCC（阻抗线被周围GND/VCC 包围，周围GND/VCC即为参考层面）。而与其邻近层为线路层，非GND/VCC。H1：介质厚度H2：介质厚度W1: 阻抗线底部宽度W2: 阻抗线顶部宽度D1：阻抗线到周围铜皮的距离T1：线路铜厚Er1：H1 对应介质层介电常数Er2：H2 对应介质层介电常数1.21. 嵌入式差分阻抗计算模型 适用范围：内层差分共面阻抗,参考层为同一层面的GND/VCC 及与其邻近G

12、ND/VCC 层。（阻抗线被周围GND/VCC包围，周围GND/VCC 即为参考层面）。H1：介质厚度H2：介质厚度W1: 阻抗线底部宽度W2: 阻抗线顶部宽度T1：线路铜厚S1：差分阻抗线间距Er1：H1 对应介质层介电常数Er2：H2 对应介质层介电常数1.22. 嵌入式差分阻抗共面计算模型 适用范围：内层差分共面阻抗,参考层为同一层面的GND/VCC 及与其邻近GND/VCC 层。（阻抗线被周围GND/VCC 包围，周围GND/VCC 即为参考层面）。H1：介质厚度H2：介质厚度W1: 阻抗线底部宽度W2: 阻抗线顶部宽度D1：阻抗线到周围铜皮的距离T1：线路铜厚S1：差分阻抗线间距Er

13、1：H1 对应介质层介电常数Er2：H2 对应介质层介电常数第二章 双面板设计2.0 双面板常见阻抗设计与叠层结构2.1. 50 100 | 0.5mm叠层结构我司已生产的档案号记录L1 2.35 mil Core 13 milL2 2.35 mil D32439 D24595阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值计算模型单端L1,L218.5/10501.13L1,L223.5/501.11差分L1,L29.76.3/1001.122.2. 50 | 100 | 0.6mm叠层结构我司已生产的档案号记录L1 2.35 mil Core 16.9 milL2 2.35 mil D447

14、47 D44389 阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L230/501.11L1,L219/7501.13差分L1,L295.5/1001.122.3. 50 | 100 | 0.8mm叠层结构我司已生产的档案号记录L1 1.65 mil Core 26.18 milL2 1.65 mil D44112 D43231阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L249/501.11L1,L241/14501.13L1,L223.5/6501.13差分L1,L2136/1001.122.4. 50 | 100 | 1.6mm 叠层结构我司已生产的

15、档案号记录L1 1.65 mil Core 60.23 milL2 1.65 mil D45336 d44105 阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L230/6501.13差分L1,L2146/1001.122.5. 50 70 | 1.6mm叠层结构我司已生产的档案号记录L1 1.65 mil Core 60.23 mil Rogers Er=3.48L2 1.65 mil D36484 d37591阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L2135/501.11L1,L273/701.112.6. 50 | 0.9mm | Rogers

16、 Er=3.5叠层结构我司已生产的档案号记录L1 1.65 mil Core 30 mil Rogers Er=3.48L2 1.65 mil D43833 d42506 d42537 d43521 阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L166/501.11L150/15501.132.7. 50 | 0.9mm | Arlon Diclad 880 Er=2.2叠层结构我司已生产的档案号记录L1 1.65 mil Core 30 mil E r=2.2L2 1.65 mil D45262 D37990 阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L189/

17、501.11L189/501.13第三章 四层板设计3.0. 四层板叠层设计方案四层板,优选方案1,可用方案3方案电源层地层信号层TOPL2L3BOT1112SGPS2122GSSP3112SPGS方案1 此方案四层PCB的主叠层设计方案,在元件面下有一地平面,关键信号优选布TOP层;至于层厚设置,有以下建议: 满足阻抗控制芯板(GND到POWER)不宜过厚,以降低电源地平面的分布阻抗;保证电源平面的去藕效果;为了达到一定的屏蔽效果,有人试图把电源地平面放在TOPBOTTOM层,即采用方案2:此方案为了达到想要的屏蔽效果,至少存在以下缺陷:电源地相距过远,电源平面阻抗较大电源地平面由于元件焊盘

18、等影响,极不完整由于参考面不完整,信号阻抗不连续 实际上,由于大量采用表贴器件,对于器件越来越密的情况下,本方案的电源地几乎无法作为完整的参考平面,预期的屏蔽效果很难实现;方案2使用范围有限但在个别单板中,方案2不失为最佳层设置方案 方案3:此方案同方案1类似,适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况;一般情况下限制使用此方案 以下列举结构,电源层与地层都用G表示3.1. 四层板常见阻抗设计与叠层结构3.10. SGGS | 50 55 60 | 90 100 | 0.8mm 1.0mm 1.2mm 1.6mm 2.0mm层压结构我司已生产的档案号记录L1 1.65 mil 2

19、116 4.5 milL2 1.2 mil Core 44.48 milL3 1.2 mil 2116 4.5milL4 1.65mil M51992 m44918 M52770 M52598阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值计算模型单端L1,L47.5/501.11L1,L46.5/6.5501.13L1,L46/551.11L1,L45/601.11差分L1,L45.67.4/1001.12L1,L44.34.7/1001.12L1,L45.36.78.71001.14L1,L45.57.591001.14L1,L45.36.7/1001.12L1,L45.57.5/1001.

20、12L1,L45.88.2/1001.12L1,L469.5/1001.12L1,L46.310.7/1001.12L1,L465/901.12L1,L46.56/901.12L1,L47.27.810901.14L1,L47.38.2/901.123.11. SGGS | 50 55 60 | 90 100 | 0.8mm 1.0mm 1.2mm 1.6mm 2.0mm层压结构我司已生产的档案号记录L1 1.65mil 1080*2 5.6 milL2 1.2 mil Core 44.48 milL3 1.2 mil 1080*2 5.6 milL4 1.65mil M44188 M5190

21、0阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值计算模型单端L1,L48.5/7.5501.13L1,L49/11501.13L1,L49.5/501.11L1,L47.7/551.11L1,L46.5/601.11差分L1,L45.75.3/1001.12L1,L47.710.3/1001.12L1,L47.28.6/1001.12L1,L44.26.3/1001.12L1,L46.85.25.61001.14L1,L498.5/901.12L1,L45.25.8/901.123.12. SGGS | 50 55 60 | 90 95 100 | 1.6mm层压结构我司已生产的档案号记录L1

22、 1.65mil 3313 3.5milL2 1.2 mil Core 48.42milL3 1.2 mil 3313 3.5milL4 1.65mil M35389 M50749 M52839 M52031 M52680阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L45.5/501.11L1,L44.5/551.11L1,L43.6/601.11差分L1,L446/1001.12L1,L44.68.4/1001.12L1,L44.57.5/1001.12L1,L44.58/1001.12L1,L44.810.2/1001.12L1,L45.114.4/1001.12L1,

23、L45.114.9/1001.12L1,L44.97.1/951.12L1,L45.88.2/901.12L1,L45.67.4/901.12L1,L46.212.8/901.12L1,L45.55.5/901.123.13. SGGS | 50 55 60 | 85 90 95 100 | 1.0mm 1.6mm层压结构我司已生产的档案号记录L1 1.65mil 1080 2.9milL2 1.2 mil Core 48.42milL3 1.2 mil 1080 2.9milL4 1.65mil 常用芯板(含铜)1.3mm M50890 M52600 M52425四层板可调节中间芯板变化来答

24、到最终板厚要求。阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值计算模型单端L1,L45/501.11L1,L43.8/551.11L1,L43.1/601.11差分L1,L44.18.9/1001.12L1,L44.29.8/1001.12L1,L43.86.2/1001.12L1,L44.37.2/951.12L1,L44.86.2/901.12L1,L44.97.1/901.12L1,L45.29.8/901.12L1,L45.510.5/901.12L1,L4610/851.12L1,L45.46.6/851.12L1,L455/851.123.14. SGGS | 50 55 75 |

25、 100 | 1.0mm 2.0mm层压结构我司已生产的档案号记录L1 1.65mil 2116+1080 7.08 milL2 1.2 mil Core 16.93 milL3 1.2 mil 2116+1080 7.08 milL4 1.65mil 可选芯板(含铜)0.5mm 1.5mmM53123阻抗类型层次线宽mil间距mil共面距离阻抗值阻抗模型单端L1,L412.5/501.11L1,L410/551.11L1,L44.8/751.11差分L1,L41010/1001.123.15. GSSG | 50 | 100 | 1.0mm 层压结构我司已生产的档案号记录L1 2.35mil 2116+1080 7.2 milL2 1.2 mil Core 16.92 milL3 1.2 mil 2116+1