PCB stack設(shè)計之特征阻抗

在高速數(shù)字電路設(shè)計流程中，第一步需要做的就是根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，成本因素等相關(guān)方面決定印制電路板（PCB）的疊層結(jié)構(gòu)（Stack），而在PCB stack設(shè)計的過程中，特征阻抗也是一個重點關(guān)注的問題。

1 疊層結(jié)構(gòu)的選擇

電路板的疊層結(jié)構(gòu)分為2層，4層，6層，8層，10層等等。目前常用的用于主板設(shè)計的主要有4層與6層，至于8層。而對于更為復(fù)雜的系統(tǒng)，像小面積的Add-in Card，大型通信設(shè)備中的某一模塊，像SDH，Multi-serve Router，這些設(shè)備常用12層甚至是更多層。本文主要的出發(fā)點就是以較為簡單的例子，介紹PCB疊層設(shè)計中的參數(shù)問題。

1.1 4層電路板

對于4層電路板，這是市場上最常用的一種疊層結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)無外乎下面幾種方案，如圖1，具體取決于哪種方案最好，主要是看布線層面的選擇，參考平面的選擇以及EMC/EMI的考慮。這里把signal層放在內(nèi)層有利于屏蔽輻射，便于EMC的設(shè)計，但不利于系統(tǒng)的Debug。常用的方案是04A。

最常用的疊層結(jié)構(gòu)主要是06A，06G，06K。06A有四層布線層，便于布線。06G有兩個GND，這樣的話Top與Bottom層參考平面都是GND，是一種很好的選擇。對于06K，這樣做，主要是3個信號層布線有點緊張，讓第四層作為備用的信號層，最后不用的地方都鋪上銅箔，即確切的說，該種疊層結(jié)構(gòu)的layer4是signal/GND。對于其他的疊層結(jié)構(gòu)，像10層，18層，這里不多介紹，下圖以便參考。

2 特征阻抗的計算

設(shè)計完疊層結(jié)構(gòu)，具體的就要設(shè)計各個疊層的厚度了，這里主要的切入點就是特征阻抗，電源平面和地平面的目標阻抗了。

對特征阻抗的理解可以類似于軟水管，特征阻抗類似軟水管對水流的阻力，電流類似于水流，走線與參考平面的距離類似于軟水管與地平面的距離——可想象為體現(xiàn)在壓強方面。

2.1 影響特征阻抗因素

影響特征阻抗的因素很多，主要體現(xiàn)在下面幾個方面：

介電質(zhì)常數(shù)，與阻抗值成反比 ［Er值愈高 ， Z0值愈低］

線路層與接地層間介電層厚度，與阻抗值成正比，參考基板及PP之壓合厚度，［介層愈厚 ， Z0值愈高］，介電層厚度類比于軟水管離地平面的高度，介電層厚度越大，表示離地平面越高，從而導致水流變緩，好比軟水管對水的阻力變大，從而特征阻抗變大。

線寬，與阻抗成反比 ［線寬愈細 ， Z0值愈高］，線寬越細，表示軟水管截面積變小，對水流的阻力變大，從而水利變小，特征阻抗變大。

銅厚，與阻抗值成反比 ［銅愈厚 ， Z0值愈低］，銅厚變小，表示軟水管截面積變小，對水流的阻力變大，從而水利變小，特征阻抗變大。

=》一般來說，內(nèi)層為基板銅厚，廠內(nèi)1OZ=1.2 mil~1.4mil，外層為基板銅箔厚度+鍍銅厚度

差動阻抗相鄰線路與線路之間的間距，與阻抗值成正比 ［Spacing愈小 ， Z0值愈低］，這個很好理解，間距變小，表示耦合越好，從而軟水管對水流的阻力越小，特征阻抗變小。

線路層與線路層間介電層厚度，與阻抗值成反比。

防焊漆厚度，與阻抗值成反比［綠漆愈厚 ， Z0值愈低］，綠漆可以類比于堤壩對水流的保護作用，綠漆越厚，堤壩越厚，表示對水流的保護作用越好，水流都不會丟失，從而水流越大，對水流的阻礙越小，特征阻抗越低。

2.2 Microstrip單端阻抗模型

下圖是表示微帶線（Microstrip）的單端阻抗計算方法：

Surface Microstrip

2.3 Microstrip差分阻抗模型

下圖表示微帶線的差分阻抗計算方法：（帶狀線計算方法后面章節(jié)會介紹）

Edge-coupled Surface Microstrip

說明：

關(guān)于銅厚T ：內(nèi)層，1 oz=1.2mil~1.4mil左右，需要向PCB版廠確認，一般取為1.4mil。外層，厚度應(yīng)該為基銅的厚度+鍍層厚度

關(guān)于線寬：內(nèi)層0.5oz上幅=下幅–0.5mil ， 1oz / 經(jīng)電鍍上幅=下幅 – 0.8mil。外層，上幅=下幅 *（85-90%）

防焊層厚度：一般最小是0.4mil。單端阻抗：防焊前后約差7 ohms， 標示下限 +4mil 上限 +2mil。對于差動阻抗：防焊前后約差14 ohms， 標示下限 +10mil 上限 +4mil。

一般的PP型號與厚度是（僅供參考）：型號---resin to glass ratio---厚度

對于Pre-Preg推薦使用2116，Core推薦使用7628，這是根據(jù)lql-008（個人編號）關(guān)于Stackup描述而來的，讀者可參閱該篇文檔關(guān)于PCB的細節(jié)。

2.4 Strip單端阻抗模型

這個模型可參閱圖12。

2.5 Strip 差分阻抗模型

這個模型可參閱圖13。

3．阻抗計算實例說明

傳輸線阻抗是從電報方程推導出來（具體可以查詢微波理論），當電壓電流在傳輸線傳播的時候，如果特性阻抗不一致所求出的電報方程的解不一致，就造成所謂的反射現(xiàn)象等等。在信號完整性領(lǐng)域里，比如反射，串擾，電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續(xù)問題，因此匹配的重要性在此展現(xiàn)出來。

由圖5可知，這是一個8層電路板的疊層結(jié)構(gòu)，這就可以理解了，PP表示Prepreg。PP是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，core 其實也是PP類型介質(zhì)，只不過他兩面都覆有銅箔，而PP則沒有。

那么每一層的銅箔厚度是怎么表示的呢？銅箔重量一般以O(shè)z來表示。重量的單位1Oz（盎司）=28.3 g（克）。在疊層里面是這么定義的，在一平方英尺的面積上鋪一盎司的銅的厚度為1Oz，它與Mil對應(yīng)的關(guān)系是：

為了更好說明特征阻抗計算方法，在此假設(shè)板厚為1.6mm，也就是64mil 左右， 單端阻抗要求55Ohm，差分阻抗要求100Ohm，我們假設(shè)以如下的疊層來走線。

采用Polar Si8000計算Top與Bottom層微帶線的單端阻抗為：

為了驗證覆綠漆與不覆綠漆的區(qū)別，參照下圖與圖7的區(qū)別，可以看出，在這里不覆綠漆時特征阻抗比覆綠漆時增加了大約3.5Ohm。

這也驗證了綠漆越厚，特征阻抗越小的說法（不覆蓋可以表示為厚度為0）。

這里在舉一個6層板的例子，更好的說明帶狀線特征阻抗計算的方法。在此假設(shè)板厚為1.5mm，也就是60mil 左右， 單端阻抗要求55Ohm，差分阻抗要求100Ohm，我們假設(shè)以如下的疊層來走線。

編輯：hfy