在線寬規(guī)則設(shè)置中提到過阻抗線的概念,那么什么是阻抗線呢?我們?nèi)绾沃涝O(shè)計當中的信號走線線寬與間距呢?這就涉及阻抗的計算。
阻抗計算的必要性
當電壓、電流在傳輸線中傳播時,特性阻抗不一致會造成所謂的信號反射現(xiàn)象等。在信號完整性領(lǐng)域里,反射、串擾、電源平面切割等問題都可以歸為阻抗不連續(xù)問題,因此匹配的重要性在此展現(xiàn)出來。
常見的阻抗模型
一般利用 Polar SI9000 阻抗計算工具進行阻抗計算。在計算之前需要認識常見的阻抗模型。常見的阻抗模型有特性阻抗模型、差分阻抗模型、共面性阻抗模型。如圖 10-50 所示,阻抗模型又細分為如下幾類。
?。?)外層特性阻抗模型。
?。?)內(nèi)層特性阻抗模型。
?。?)外層差分阻抗模型。
?。?)內(nèi)層差分阻抗模型。
?。?)共面性阻抗模型。
?、?外層共面特性阻抗模型。
?、?內(nèi)層共面特性阻抗模型。
?、?外層共面差分阻抗模型。
④ 內(nèi)層共面差分阻抗模型。
圖 10-50 常見的阻抗模型
阻抗計算詳解
1.阻抗計算的必要條件
阻抗計算的必要條件有板厚、層數(shù)(信號層數(shù)、電源層數(shù))、板材、表面工藝、阻抗值、阻抗公差、銅厚。
2.影響阻抗的因素
影響阻抗的因素有介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、銅厚、線寬、線距、阻焊厚度,如圖 10-51 所示。
圖 10-51 影響阻抗的因素
在圖 10-51 中,H1 為介質(zhì)厚度(PP 片或者板材,不包括銅厚);Er1 為 PP 片或者板材的介電常數(shù),多種 PP 片或者板材壓合在一起時取平均值;W1 為阻抗線下線寬;W2 為阻抗線上線寬;T1 為成品銅厚;CEr 為綠油的介電常數(shù)(3.3);C1 為基材的綠油厚度(一般取 0.8mil);C2 為銅皮或者走線上的綠油厚度(一般取 0.5mil)。
阻抗計算方法
下面通過一個實例來演示阻抗計算的方法及步驟。
普通的 FR-4 板材一般有生益、建滔、聯(lián)茂等板材供應(yīng)商。生益 FR-4 及同等材料芯板可以根據(jù)板厚來劃分。表 10-5 列出了常見生益 FR-4 芯板厚度參數(shù)及介電常數(shù)。
半固化片(即 PP 片)一般包括 106、1080、2116、7628 等。
表 10-6 常見 PP 片厚度參數(shù)及介電常數(shù)
對于 Rogers 板材,Rogers4350 0.1mm 板材介電常數(shù)為 3.36,其他 Rogers4350 板材介電常數(shù)為 3.48;Rogers4003 板材介電常數(shù)為 3.38;Rogers4403 半固化片介電常數(shù)為 3.17。
我們知道,每個多層板都是由芯板和半固化片通過壓合而成的。當計算層疊結(jié)構(gòu)時,通常需要把芯板和 PP 片疊在一起,組成板子的厚度。例如,一塊芯板和兩張 PP 片疊加“芯板+ 106+2116”,那么它的理論厚度就是 0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。但需注意以下幾點。
?、僖话悴辉试S 4 張或 4 張以上 PP 片疊放在一起,因為壓合時容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象。
?、?628 的 PP 片一般不允許放在外層,因為 7628 表面比較粗糙,會影響板子的外觀。
?、? 張 1080 也不允許放在外層,因為壓合時也容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象。
?、苄景逡话氵x擇大于 0.11mm 的,6 層的一般兩塊芯板,8 層的一般 3 塊芯板。
由于銅厚的原因,理論厚度和實測厚度有一定的差距,具體可以參考圖 10-52。
圖 10-52 理論厚度與實測厚度
從圖 10-52 中可以看出,理論厚度和實測厚度存在銅厚的差額,可以總結(jié)出如下公式。
實測厚度=理論厚度 - 銅厚 1(1-X1)- 銅厚 2(1-X2)
式中,X1、X2 表示殘銅率,表層取 1,光板取 0。電源地平面殘銅率一般取值為 70%,信號層殘銅率一般取值為 23%。
殘銅率是指板平面上有銅的面積和整板面積之比。例如,沒有加工的原材料殘銅率就是 100%,蝕刻成光板時就是 0%。
“OZ”表示銅厚單位“盎司”,1OZ=0.035mm。
阻抗計算實例
(1)層疊要求:板厚為 1.2mm,板材為 FR-4,層數(shù)為 6 層,內(nèi)層銅厚為 1OZ,表層銅厚為 0.5OZ。
?。?)根據(jù)芯板和 PP 片常見厚度參數(shù)組合,并根據(jù)層疊厚度要求,可以堆疊出如圖 10-53 所示的層疊結(jié)構(gòu)。
圖 10-53 6 層層疊結(jié)構(gòu)圖
圖 10-53 中標出的 PP 片厚度為實際厚度,計算公式如下。
PP(3313)[實測值]=0.1034mm[理論值]-0.035/2mm×(1-1)[表層銅厚為 0.5OZ,殘銅率取 1]-0.035mm×(1-0.7)[內(nèi)層銅厚為 1OZ,殘銅率取 70%]=0.0929mm=3.65mil
PP(7628×3)[實測值]=0.1951mm×3[理論值]-0.035mm×(1-0.23)[內(nèi)層銅厚為 1OZ,相鄰信號層殘銅率取 0.23%]-0.035mm×(1-0.23)[內(nèi)層銅厚為 1OZ,相鄰信號層殘銅率取 0.23%]= 0.5314mm=20.92mil
板子總厚度
=0.5OZ+3.65mm+1OZ+5.1mm+1OZ+20.92mm+1OZ+5.1mm+1OZ+3.65mm+0 .5OZ= 1.15mm
(3)打開 Polar SI9000 軟件,選擇需要計算阻抗的阻抗模型,計算表層 50 歐姆單線阻抗線寬。如圖 10-54 所示,根據(jù)壓合層疊數(shù)據(jù),填入相關(guān)已知參數(shù),計算得出走線線寬 W0=6.8mil。這個是計算出比較粗的走線,有時候會基于走線難度準許阻抗存在一定的誤差,所以可以根據(jù)計算得出的走線線寬來稍微調(diào)整。例如,調(diào)整計算參數(shù)走線線寬 5.5mil 時,計算阻抗 Zo=54.82,如圖 10-55 所示。
圖 10-54 根據(jù)阻抗計算線寬
圖 10-55 根據(jù)線寬微調(diào)阻抗值
(4)需計算內(nèi)層(以第 3 層為例)90 歐姆差分阻抗走線線寬與間距,如圖 10-56 所示,選擇內(nèi)層差分阻抗模型,根據(jù)壓合層疊數(shù)據(jù),填入已知參數(shù),然后可以通過阻抗要求,調(diào)整線寬和間距,分別計算,考慮到板卡設(shè)計難度,微調(diào)阻抗在準許范圍之內(nèi)即可。
圖 10-56 90 歐姆差分阻抗計算結(jié)果
?。?)最終計算結(jié)果如表 10-7 所示。