隨著高頻高速電子產(chǎn)品的快速發(fā)展,信號(hào)傳輸過(guò)程更容易出現(xiàn)反射、串?dāng)_等信號(hào)完整性問(wèn)題,且頻率越高、傳輸速率越快,信號(hào)損耗越嚴(yán)重,如何降低信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗、保證信號(hào)完整性是高頻高速PCB發(fā)展中的巨大挑戰(zhàn)。
在高速PCB設(shè)計(jì)中,阻抗匹配顯得尤為重要,為減少在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中的反射現(xiàn)象,必須在信號(hào)源、接收端以及傳輸線上保持阻抗的匹配。
一般而言,單端信號(hào)線的阻抗取決于它的線寬以及與參考平面之間的相對(duì)位置。特性阻抗要求的差分對(duì)間的線寬/線距則取決于選擇的PCB疊層結(jié)構(gòu)。
由于最小線寬和最小線距是取決于PCB類型以及成本要求,受此限制,選擇的PCB疊層結(jié)構(gòu)必須能實(shí)現(xiàn)板上的所有阻抗需求,包括內(nèi)層和外層、單端和差分線等。對(duì)于PCB工廠而言,有阻抗線的板我們俗稱為阻抗板。
阻抗影響因素
在高速PCB的設(shè)計(jì)中,有經(jīng)驗(yàn)的工程師,對(duì)PCB材料及工藝制程有一定的了解,知道影響阻抗的相關(guān)參數(shù),會(huì)提前通過(guò)阻抗軟件,如Si9000或華秋DFM,選擇相應(yīng)的阻抗模型進(jìn)行阻抗計(jì),從而得出PCB的阻抗匹配。但是真正要做到預(yù)計(jì)的特性阻抗或?qū)嶋H控制在預(yù)計(jì)的特性阻抗值的范圍內(nèi)(常規(guī)是±10%以內(nèi)),只有通過(guò)PCB生產(chǎn)加工過(guò)程的管理與控制才能達(dá)到。
從PCB制造的角度來(lái)講,影響阻抗的關(guān)鍵因素主要有:
影響
關(guān)鍵因素
介質(zhì)厚度( h ): 增加介質(zhì)厚度可以提高阻抗,降低介質(zhì)厚度可以減小阻抗;對(duì)多層板而言,介質(zhì)厚度取決于PP片及芯板的厚度。
線寬( w ) : 阻抗與線寬成反比,線寬越大,阻抗越小。一般而言,阻抗線在生產(chǎn)過(guò)程中線寬公差要控制到5%-10%
銅厚( t ) : 減小線厚可增大阻抗,增大線厚可減小阻抗,線的完成銅厚,跟選用的基材銅箔及電鍍過(guò)程有關(guān)。
介電常數(shù)( Er ) : 不同的板材,介電常數(shù)會(huì)有區(qū)別。增加介電常數(shù),可減小阻抗,減小介電常數(shù)可增大阻抗。
阻焊厚度( c ) : 印上阻焊會(huì)使外層阻抗減少。正常情況下印刷一遍阻焊可使單端下降2歐姆,可使差分下降8歐姆,印刷2遍下降值為一遍時(shí)的2倍,當(dāng)印刷3次以上時(shí),阻抗值不再變化。
從以上因素可以看出,受限于電子產(chǎn)品的外觀、線路導(dǎo)通、信號(hào)穩(wěn)定性及散熱性能等影響,一般而言,工程師設(shè)計(jì)出的PCB,層數(shù)、板厚、銅厚、尺寸相對(duì)是固定的,從而可看出生產(chǎn)出的PCB阻抗要與設(shè)計(jì)的阻抗匹配,并控制公差在±10以內(nèi),可調(diào)整的參數(shù)主要是線寬、芯板銅箔厚度、PP片介電常數(shù)、及疊層結(jié)構(gòu)。
疊層設(shè)計(jì)基本原則
對(duì)于PCB板廠,一般會(huì)跟2-3家材料品牌廠家合作,選擇幾種類型的PP,及芯板銅箔做為PCB的原材料,根據(jù)工廠的制程能力、生產(chǎn)工藝來(lái)做疊層設(shè)計(jì),并匹配相應(yīng)阻抗。通常而言,不同的疊層結(jié)構(gòu),可做多種阻抗匹配,最終選用哪種阻抗匹配,取決于PCB布線是否合理、信號(hào)之間干擾大小等等,也受限于最終的PCB成本,線寬過(guò)小,埋盲孔等都會(huì)影響最終的成本。這里疊層設(shè)計(jì)有一些基本原則:
疊層具有對(duì)稱性
阻抗連續(xù)性
元件下面為地層(第2層或者是倒數(shù)第2層)
信號(hào)層靠近參考層
相鄰信號(hào)層拉大間距
信號(hào)層夾在電源層與地層之間時(shí),信號(hào)層靠近地層
差分間距≤2倍線寬
線寬調(diào)整在4-6mil范圍內(nèi)
板層間半固化片(PP)≤3張
次外層至少有一張7628或3313或2116
半固化片使用順序7628→2116→3313→1080→106
這里要提到一款PCB可制造行分析和PCBA裝配分析神器——華秋DFM,它是華秋電子自主研發(fā)的PCB可制造性分析軟件,作為一款免費(fèi)的國(guó)產(chǎn)軟件,它可以自動(dòng)生成疊層圖,也可以手動(dòng)填寫層數(shù)、板厚、銅厚,用疊層圖的介質(zhì)厚度匹配阻抗。便于工程師從更優(yōu)化的PCB設(shè)計(jì)去獲取更多的系統(tǒng)裕量,以抵抗加工誤差,也可以提前預(yù)測(cè)生產(chǎn)成本。
阻抗板是否高可靠,華秋有話說(shuō)
PCB設(shè)計(jì)好后,驗(yàn)證方案是否可行,產(chǎn)品是否可靠,最終還是要生產(chǎn)出來(lái)才知道,對(duì)于帶有阻抗的PCB,華秋是怎么做的呢?通常有以下兩種情況
第一種,客戶提供PCB文件,已明確阻抗要求,及疊層結(jié)構(gòu),可允許小范圍內(nèi)調(diào)整。
針對(duì)這種情況,工程設(shè)計(jì)一般會(huì)檢查制程能力是否能滿足,疊層設(shè)計(jì)是否可實(shí)現(xiàn),如完全匹配則可按文件進(jìn)行后續(xù)的步驟;如需要小范圍調(diào)整,工程設(shè)計(jì)則會(huì)根據(jù)自有板材類型,PP類型,制程能力范圍的線寬、及生產(chǎn)工藝來(lái)調(diào)整阻抗的設(shè)計(jì),以滿足客戶的需求。
第二種,客戶提供PCB文件,對(duì)阻抗有要求,但未明確疊層結(jié)構(gòu)。
針對(duì)這種情況,工程設(shè)計(jì)一般會(huì)優(yōu)先選擇推薦的疊層結(jié)構(gòu),匹配相應(yīng)的阻抗。
為何優(yōu)選推薦疊層結(jié)構(gòu)?原因有二:
一是華秋推薦的疊層結(jié)構(gòu),是經(jīng)過(guò)10多年成熟的生產(chǎn)驗(yàn)證,板材性能、生產(chǎn)工藝、過(guò)程控制,這都是經(jīng)得起考驗(yàn)的,從而保證了產(chǎn)品的高可靠。據(jù)了解90%的客戶都會(huì)選擇華秋推薦的疊層結(jié)構(gòu),產(chǎn)品也獲得了廣大客戶的認(rèn)可。
二是采用華秋推薦的疊層結(jié)構(gòu),能最大化利用板材,提供板材利用率,從而降低生產(chǎn)成本,也可保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。了解過(guò)華秋的朋友都知道,華秋PCB以打樣和中小批量為主,對(duì)于這種柔性化生產(chǎn)的PCB板廠,一般會(huì)選用拼板方式將多種PCB合拼在一起,顯而易見板材利用率提高了,對(duì)客戶而言就是降低了成本;另一方面,合拼的PCB板,如采用相對(duì)一致的疊層結(jié)構(gòu),在壓合工序可提高產(chǎn)品質(zhì)量。
下圖是華秋推薦疊層結(jié)構(gòu)其中之一,更多的疊層設(shè)計(jì)可參考華秋DFM阻抗計(jì)算,也可參考華秋PCB官網(wǎng)推薦疊層。
PCB確定好疊層結(jié)構(gòu)及阻抗匹配后,最后的環(huán)節(jié)就是要將PCB生產(chǎn)出來(lái);在PCB生產(chǎn)加工環(huán)節(jié),華秋具備全面的質(zhì)量管理體系,以確保產(chǎn)品的高可靠。
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