PCB叠层设计及特性阻抗计算

　　PCB叠层设计是硬件工程师和PCB工程师必备技能之一，Layout工程师会依据叠层设计进行Layout设计，包括线宽、线距、差分走线等设置 。特性阻抗匹配是指在信号能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了，反之则在传输中有能量损失，故掌握特性阻抗的计算也很重要。

　　1.阻抗分类

　　　　（1）单端阻抗（Single Ended Impedance）：单根信号线测得的阻抗（常用）；

　　　　（2）差分阻抗（Differential Impedance）：差分驱动时在两条等宽等距的传输线测得的阻抗（常用）；

　　　　（3）共面阻抗（Coplanar Impedance）：信号线在其周围GND/VCC之间传输时所测试到得阻抗（不常用）。

　　2.阻抗影响因素

　　　　（1）正比因素：线路层与接地层间介质厚度H1/H2/H3、相邻线路与线路间的距离S；

　　　　（2）反比因素：介电常数Er、线底宽度W1、线面宽度W2、铜厚T、基材阻焊厚度C1、线面阻焊厚度C2、线间阻焊厚度C3、阻焊介电常数CEr。

　　　　故关系式可以理解为Z=HS/Er*W*T*C*CEr。

　　3.叠层设计

　　　　（1）确定基材：根据产品的使用环境要求和板厂备料情况，选择合适的PCB板材（提取Er），常见的有：Tg=150的生益S1411 150板材，Tg=180的台耀TU-768板材。

　　　　（2）确定板厚：根据产品要求或者设备结构要求，确定线路板的成品板厚，常见的有：0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm，误差一般为10%。

　　　　（3）确定板层数：根据元器件的密集程度以及信号复杂程度，确定线路板的布线层数，常见的有：单层、双层、4层、6层、8层及以上。

　　　　（4）确定布线层布局：根据产品的特性进行布线层的布局，比如4层板有：Top(Singel)-L2(GND)-L3(GND/VCC)-Bottom(Singel)，此方式适用于大部分的电子设备，SI性能较好；Top(GND)-L2(Singel/VCC)-L3(Singel/VCC)-Bottom(GND)，此方式适用于射频类电子设备，EMI性能较好。

　　　　（5）确定特性阻抗值：根据产品的所有信号类型及特性，确定所有需要管控特性阻抗的阻抗值，常见的有：单端特性阻抗=45/50/55/60欧姆，差分特性阻抗=85/90/100欧姆。

　　　　（6）设计叠层参数：依据所需阻抗值，使用Polar-Si9000软件设计管控信号线的各层线宽、线距、层间介质厚度、铜厚、阻焊厚度等参数设计合理的叠层参数，一般线宽选择≥4mil、线距选择≥5mil，信号层和参考层的介质厚度在2.5mil≤H≤6mil，内层铜厚=1oz，外层铜厚+Plating=0.5oz。

　　　　（7）设计叠层表：设计叠层表以供板厂确认，板厂会进行微调及确认，得到最终的叠构表。如下图1所示为通用型叠层表，图2为专用型叠层表。

　　　　注：通用型叠层表：需要额外提供板厂信息给板厂，并将表格中不需要管控特性阻抗部分的信息隐藏起来，只留需要管控的部分。

　　　　　　专用型叠层表：叠层信息比较全面，无需额外提供资料，管控的特性阻抗也提取出来。

   图1　4层板通用型叠层表

 

    图2  　4层板专用型叠层表

　　4.特性阻抗计算

　　Polar-Si9000软件是大多数工程师首选的阻抗特性计算软件，该软件共提供了93种阻抗计算模式，完全满足大部分PCB板阻抗计算要求，且计算结果的准确度和精度较高。当选择不同的阻抗计算模式时，其计算公式的因子略微不同，其基本因素就是上述提到的H、S、Er、W1、W2、C1、C2、C3、CEr。线宽分为W1和W2的原因见下图3制作流程。生产中蚀刻药水对至上而下铜表面进行腐蚀，因此蚀刻出来的线宽会呈现出梯形，W1与W2的差值与铜厚相关，其差值一般为0.3-1.6mil之间，具体如下：

　　（1）内层：铜厚T=1oz时，W1=W2+0.5mil；铜厚T=2oz时，W1=W2+1.2mil ；

　　（2）外层：铜厚T=1oz时，W1=W2+1.0mil；铜厚T=2oz时，W1=W2+1.6mil ；；

　　（3）与板厂确认W1和W2的关系。

  图3　制作流程

　　如下图4所示是Polar-Si9000的 Edge-Coupled Coated Microstrip 1B模式，现可确定的参数有（板材、油墨、铜厚确定后）：Er1=4.2、T1=1.4mil、C1=0.5mil、C2=0.4mil、C3=0.5mil、CEr=3.85；H1设定为5mil。剩下的可调参数为（差分的线宽和线距）：W1、W2、S1。此时可以尝试着先定S1，再定W1和W2，或者先定W1和W2，再定S1都可以。比如先定S1=7.5mil，然后慢慢的调整W1和W2数值，直至特性阻抗值达到预计值（Z=100oz），此时W1=6.6，W2=5.6。此时就算完成了该层100欧姆差分特性阻抗的计算，如果该层或者其它层还有特性阻抗要求，还需要按此方式去再计算，直至把整个PCB设计的特性阻抗都计算出来。

  图4　差分特性阻抗100欧姆计算