PCB设计过程中如何考虑阻抗控制和叠层设计？

瑞兴诺pcb

PCB设计过程中如何考虑阻抗控制和叠层设计？ [复制链接]

PCB设计过程中如何考虑阻抗控制和叠层设计？

（以下文字均从网络转载，欢迎大家补充，指正。）
随着 PCB 信号切换速度不断增长，当今的 PCB 设计厂商需要理解和控制 PCB 迹线的阻抗。相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率，PCB 迹线不再是简单的连接，而是传输线。

在实际情况中，需要在数字边际速度高于1ns或模拟频率超过300Mhz时控制迹线阻抗。PCB 迹线的关键参数之一是其特性阻抗（即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值）。印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标，特别是在高频电 路的PCB设计中，必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。这就涉及到两个概念：阻抗控制与阻抗匹配，本文重点讨论阻抗控制和叠层设计的问题。

阻抗控制

阻抗控制（eImpedance Controling），线路板中的导体中会有各种信号的传递，为提高其传输速率而必须提高其频率，线路本身若因蚀刻，叠层厚度，导线宽度等不同因素，将会造成阻抗值得变化，使其信号失真。故在高速线路板上的导体，其阻抗值应控制在某一范围之内，称为“阻抗控制”。

PCB 迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定。影响PCB走线的阻抗的因素主要有： 铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。PCB 阻抗的范围是 25 至120 欧姆。

在实际情况下，PCB 传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。迹线和板层构成了控制阻抗。PCB 将常常采用多层结构，并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。但是，无论使用什么方式，阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定：

信号迹线的宽度和厚度

迹线两侧的内核或预填材质的高度

迹线和板层的配置

内核和预填材质的绝缘常数

PCB传输线主要有两种形式：微带线（Microstrip）与带状线（Stripline）。

微带线（Microstrip）：

微带线是一根带状导线，指只有一边存在参考平面的传输线，顶部和侧边都曝置于空气中（也可上敷涂覆层），位于绝缘常数 Er 线路板的表面之上，以电源或接地层为参考。


带状线（Stripline）：

带状线是置于两个参考平面之间的带状导线，电介质的介电常数可以不同。具体的微带线和带状线有很多种，如覆膜微带线等，都是跟具体的PCB的叠层结构相关。

用于计算特性阻抗的等式需要复杂的数学计算，通常使用场求解方法，其中包括边界元素分析在内，因此使用专门的阻抗计算软件SI9000，我们所需做的就是控制特性阻抗的参数：

绝缘层的介电常数Er、走线宽度W1、W2（梯形）、走线厚度T和绝缘层厚度H。

对于W1、W2的说明：

计算值必须在红框范围内。其余情况类推。

下面利用SI9000计算是否达到阻抗控制的要求：

首先计算DDR数据线的单端阻抗控制：

TOP层：铜厚为0.5OZ，走线宽度为5MIL，距参考平面的距离为3.8MIL，介电常数为4.2。选择模型，代入参数，选择lossless calculation，如图所示：

coating表示涂覆层，如果没有涂覆层，就在thickness 中填0，dielectric（介电常数）填1（空气）。

substrate表示基板层，即电介质层，一般采用FR-4，厚度是通过阻抗计算软件计算得到，介电常数为4.2（频率小于1GHz时）。

点击Weight（oz）项，可以设定铺铜的铜厚，铜厚决定了走线的厚度。

9、绝缘层的Prepreg/Core的概念：

PP（prepreg）是种介质材料，由玻璃纤维和环氧树脂组成，core其实也是PP类型介质，只不过他的两面都覆有铜箔，而PP没有，制作多层板时，通常将CORE和PP配合使用，CORE与CORE之间用PP粘合。

10、PCB叠层设计中的注意事项：

（1）、翘曲问题

PCB的叠层设计要保持对称，即各层的介质层厚、铺铜厚度上下对称，拿六层板来说，就是TOP-GND与BOTTOM-POWER的介质厚度和铜厚一致，GND-L2与L3-POWER的介质厚度和铜厚一致。这样在层压的时候不会出现翘曲。

（2）、信号层应该和邻近的参考平面紧密耦合（即信号层和邻近敷铜层之间的介质厚度要很小）；电源敷铜和地敷铜应该紧密耦合。

（3）、在很高速的情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建议不要多家电源层来隔离，这样可能造成不必要的噪声干扰。

（4）、层的排布一般原则：

元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；

所有信号层尽可能与地平面相邻；

尽量避免两信号层直接相邻；

主电源尽可能与其对应地相邻；

兼顾层压结构对称。

对于母板的层排布，现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在50MHZ 以上的

（50MHZ 以下的情况可参照，适当放宽），建议排布原则：

元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）；

无相邻平行布线层；

所有信号层尽可能与地平面相邻；

关键信号与地层相邻，不跨分割区。

 

 

soso

楼主是做PCB的，知道大家用的最多的PCB软件都有哪些吗？

led2015

即说有Altium Designer，KiCad， Eagle，OrCAD，PADS，Mentor Graphics

qzc飘曳

我在用AD，操作很舒服  

soso

led2015 发表于 2023-6-26 20:24 即说有Altium Designer，KiCad， Eagle，OrCAD，PADS，Mentor Graphics

真够多的。

瑞兴诺pcb

soso 发表于 2023-6-27 16:10 真够多的。

都是高手，我还是个菜鸟，刚刚接触pcb行业，目前只会用CAM350看下文件

lkh747566933

都是高手，我还是个菜鸟，刚刚接触pcb行业，目前只会用CAM350看下文件

fengerbbz

在进行PCB设计时，考虑阻抗控制和叠层设计是非常重要的，特别是对于高频信号和高速传输线路。以下是一些关键的考虑因素：  信号完整性要求：首先要确定设计中所涉及的信号完整性要求。根据信号的频率范围、上升时间和传输距离等因素，确定所需的阻抗控制范围。  材料选择：选择具有所需特性的PCB材料，特别是在高频和高速应用中。不同材料的介电常数和损耗因子会对阻抗值产生影响，因此需要仔细评估和选择合适的材料。  层厚和层堆栈：合理的层厚和层堆栈设计对于阻抗控制至关重要。通过调整不同层的铜箔厚度和介电层厚度，可以实现所需的阻抗匹配。  差分信号设计：在差分信号传输中，阻抗匹配变得更为重要。要确保差分信号对之间的阻抗匹配和差分间隙的一致性，以减少串扰和失配。  线宽和线间距：根据所需的阻抗值，使用适当的线宽和线间距来设计信号线。阻抗计算工具和设计规范可以帮助确定合适的线宽和线间距。  地平面和电源平面：合理布局和规划地平面和电源平面可以提供良好的信号引用平面和电源分布，从而改善阻抗控制和信号完整性。  仿真和验证：使用专业的SI/PI仿真工具对PCB设计进行仿真和验证。仿真可以帮助预测和分析信号完整性问题，优化阻抗匹配和叠层设计。  制造和制造工艺：与PCB制造商合作，了解其能力和制造工艺要求。确保设计满足制造工艺的要求，以保证可靠的阻抗控制和叠层制造。  综上所述，阻抗控制和叠层设计是PCB设计中不可忽视的重要环节。结合合适的材料、层厚、线宽、线间距和平面规划，以及仿真和验证工具的应用，可以实现高质量的阻抗控制和信号完整性设计。与专业的PCB设计

一叶知秋霜

入门级小白，过来蹭经验值，感谢分享，共同进步，谢谢啦啦啦啦啦

一叶知秋霜

不错的知识点，我也来学习学习，提高一下自己。

lkh747566933

不错的知识点，我也来学习学习，提高一下自己。以前都是随便画的