Технология PCB - Как контролировать сопротивление печатной платы

Без контроля импеданса это приведет к значительному отражению и искажению сигнала, что приведет к сбою в конструкции.Обычные сигналы, такие как шины PCI, PCI-E, USB, Ethernet, память DDR, сигналы LVDS и т.д. все они требуют контроля импеданса.Контроль импеданса в конечном счете должен быть достигнут с помощью проектирования печатных плат, технология печатных плат также выдвигает более высокие требования после связи с заводом-изготовителем печатных плат и в сочетании с использованием программного обеспечения EDA в соответствии с требованиями целостности сигнала для контроля импеданса выравнивания.

Для получения соответствующего значения импеданса можно рассчитать следующие типы трубопроводов.

Микрополосковая линия

Микрополосковая линия состоит из полосы проводящего провода с заземляющей плоскостью и диэлектриком посередине. Контролируется диэлектрическая проницаемость диэлектрика микрополосковой линии, ширина линии и ее расстояние от плоскости заземления, а также ее характеристический импеданс, который находится в пределах ±5% точности.

Описание микрополосковой линии

Полосковая линия

Полосковая линия - это медная полоска из диэлектрического материала, расположенная между двумя проводящими плоскостями. Толщина и ширина полосковой линии, диэлектрическая проницаемость диэлектрика и расстояние между двумя плоскостями заземления - все это можно регулировать, а характеристический импеданс провода также можно регулировать с точностью до 10%.

Что касается структуры многослойной печатной платы, то для того, чтобы иметь хороший контроль импеданса печатной платы, мы должны сначала понять структуру печатной платы.

Обычно мы говорим, что многослойная печатная плата состоит из основной платы и полутвердого листа, ламинированного и запрессованного друг в друга, основная плата представляет собой своего рода твердую, определенной толщины, два пакета медного листа - это основная информация о печатной плате. А полузатвердевший лист образует так называемый иммерсионный слой, играющий роль скрепляющей сердцевины плиты, хотя также имеет определенную начальную толщину, но в процессе прессования его толщина будет претерпевать некоторые изменения.

Обычно два самых внешних диэлектрических слоя многослойной печатной платы являются погружными слоями, и отдельный слой медной фольги используется снаружи этих двух слоев в качестве внешнего слоя медной фольги. Первоначальная толщина внешней и внутренней медной фольги обычно составляет 0,5 унции, 1 унцию, 2 унции (1 УНЦИЯ - это примерно 35 мкм или 1,4 мил), но после серии поверхностных обработок конечная толщина внешней медной фольги обычно увеличивается примерно на 1 унцию. Внутренний слой медной фольги представляет собой медную оболочку с обеих сторон основной платы, и его конечная толщина очень мала по сравнению с первоначальной толщиной, но из-за травления она обычно уменьшается на несколько мкм.

Самым внешним слоем многослойной печатной платы является паяльная маска, которую часто называют зеленой краской, но, конечно, она также может быть желтой или других цветов. Толщину паяльной маски, как правило, нелегко точно определить, так как поверхность участка без медной фольги немного толще, чем область с медной фольгой, но из-за недостаточной толщины медной фольги, медная фольга все еще более заметна, когда мы прикасаемся к поверхности паяльной маски. Печатную плату можно пощупать пальцем.

При изготовлении печатной платы определенной толщины, с одной стороны, необходимо тщательно подбирать параметры различных данных, с другой стороны, конечная толщина полуотвержденного листа будет меньше первоначальной толщины. Ниже приведена структура пакета из 6 слоев печатной платы:

Многослойная структура укладки печатных плат

Параметры печатной платы

Параметры печатной платы могут незначительно отличаться у разных производителей печатных плат. Обратившись в службу технической поддержки производителя печатных плат, мы можем получить некоторые данные о параметрах от производителя печатных плат.

Поверхностная медная фольга: Можно использовать поверхностную медную фольгу трех толщин: 12 мкм, 18 мкм и 35 мкм. Конечная толщина после обработки составляет примерно 44 мкм, 50 мкм и 67 мкм.

Основная плата: У нас обычно используется плата IT180, стандартная FR-4, покрытая медью с обеих сторон, дополнительные характеристики можно уточнить, обратившись к производителю печатной платы.

Полуотвержденный лист: Технические характеристики (первоначальная толщина) составляют 7628 (0,185 мм), 2116 (0,105 мм), 1080 (0,075 мм), 3313 (0,095 мм), фактическая толщина готового листа обычно меньше исходного значения примерно на 10-15 мкм. Для одного и того же слоя пропитки можно использовать не более 3-х полутвердых листов, при этом толщина всех 3-х полутвердых листов не может быть одинаковой, можно использовать как минимум один полутвердый лист, но некоторые производители требуют использования как минимум двух листов. Если толщина полутвердеющего листа недостаточна, вы можете протравить медную фольгу с обеих сторон основной платы, а затем приклеить полутвердеющий лист с обеих сторон, чтобы получить более толстый слой погружения.

Слой термостойкого припоя: Толщина слоя термостойкого припоя поверх медной фольги составляет C2 ≈ 8-10 мкм, толщина слоя термостойкого припоя в области, где на поверхности нет медной фольги, равна C1, которая варьируется в зависимости от толщины меди на поверхности, когда толщина слоя термостойкого припоя равна медь на поверхности составляет 45 мкм, толщина слоя термостойкого припоя на поверхности составляет 13-15 мкм, при толщине меди на поверхности 70 мкм толщина слоя термостойкого припоя на поверхности составляет C1 ≈ 17-18 мкм.

Поперечное сечение подводящего провода: Мы могли бы подумать, что поперечное сечение подводящего провода представляет собой прямоугольник, но на самом деле это трапеция. Возьмем, к примеру, ВЕРХНИЙ слой: когда толщина медной фольги составляет 1 унцию, верхний нижний край трапеции на 1 миллиметр короче нижнего края. Например, если ширина проволоки составляет 5 МИЛ, то верхний нижний край составляет около 4 мил, а нижний нижний край - 5 мил, а разница между верхним и нижним нижними краями зависит от толщины меди.

Диэлектрическая проницаемость: Диэлектрическая проницаемость полузатвердевшего листа зависит от толщины: диэлектрическая проницаемость пластины зависит от используемой смолы, диэлектрическая проницаемость пластины FR4 составляет 4,2-4,7, и она будет уменьшаться с увеличением частоты.

Коэффициент диэлектрических потерь: Энергия, затрачиваемая на нагрев диэлектрического материала под действием переменного электрического поля, называется диэлектрическими потерями и обычно выражается в виде коэффициента диэлектрических потерь tan δ. Типичное значение параметра S1141 равно 0,015.

Линейный допуск: Минимальная ширина линии и межстрочный интервал для обеспечения обработки: 3 мил/3 мил.

Введение в инструменты для расчета импеданса

Как только мы поймем структуру многослойной печатной платы и получим необходимые параметры, мы сможем рассчитать полное сопротивление с помощью программного обеспечения EDA. Вы можете использовать Polar SI9000, который является очень хорошим инструментом для расчета характеристического полного сопротивления, сейчас многие производители печатных плат используют это программное обеспечение.

Независимо от того, является ли это дифференциальной линией или несимметричной линией, при расчете характеристического сопротивления внутреннего слоя сигнала вы обнаружите, что результаты расчета Polar SI9000 и Allegro отличаются лишь незначительно, что связано с некоторыми деталями обработки, такими как форма входного сигнала. поперечное сечение провода. Однако, если вы рассчитываете характеристический импеданс поверхностного сигнала, я рекомендую вам выбрать модель с покрытием вместо модели с поверхностью, поскольку эта модель учитывает наличие паяльной маски, поэтому результаты будут более точными. Ниже приведен частичный скриншот полного сопротивления поверхностной дифференциальной линии, рассчитанный с помощью Polar SI9000 с учетом наличия паяльной маски:

Поскольку толщину паяльной маски нелегко контролировать, можно также использовать приблизительное значение в соответствии с рекомендациями производителя платы: вычтите конкретное значение из результата расчета модели поверхности, предполагающего дифференциальное сопротивление в 8 Ом и несимметричное сопротивление в 2 Ом.

Различные требования к печатной плате для выравнивания:

1. Определите схему выравнивания, параметры и расчет импеданса. Дифференциальное парное выравнивание внешнего микрополоскового линейного дифференциального режима и внутреннего слоя полосового линейного дифференциального режима с помощью разумного набора параметров может быть рассчитано с помощью соответствующего программного обеспечения для расчета импеданса (например, POLAR-SI9000), которое также может быть рассчитано с использованием формулы расчета импеданса.

2.  Возьмите параллельные изометрические линии. Определите ширину линии выравнивания и расстояние между ними, при этом выравнивание должно строго соответствовать рассчитанной ширине линии и расстоянию между ними, расстояние между двумя линиями всегда должно оставаться неизменным, то есть сохраняться параллельным. Существует два типа параллельных трубопроводов: один - когда две линии проходят на одном уровне (бок о бок), а другой - когда две линии проходят на двух уровнях (над-под). Как правило, следует избегать использования последнего, т.е. межслойных дифференциальных сигналов, поскольку при реальной обработке печатных плат точность выравнивания слоев между слоями значительно ниже, чем точность травления в одном слое, а также потери диэлектриков в процессе ламинирования, что не гарантирует расстояние между дифференциальными линиями равно толщине диэлектриков между слоями, и это приводит к изменению дифференциального сопротивления дифференциальных пар между слоями. Рекомендуется по возможности использовать различия в пределах одного слоя.

Выше мы объяснили, как управлять импедансом печатной платы, а также многослойной структурой печатной платы и параметрами, влияющими на импеданс.