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阻抗计算的必要性和计算方法

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描述

 

1、阻抗计算的必要性

当电压电流在传输线传播的时候,如果特性阻抗不一致就会造成所谓的信号反射现象等等。在信号完整性领域里,比如反射,串扰,电源平面切割等问题都可以归类为阻抗不连续问题,因此匹配的重要性在此展现出来。

2、常见阻抗模型

我们一般利用Polar.SI9000阻抗计算工具进行阻抗计算,在计算之前我们需要认识常见的阻抗计算模型,常见的阻抗模型有特性阻抗、差分阻抗、共面性阻抗。如图3-6所示,阻抗模型又细分为如下几类:

1)外层特性阻抗模型

2)内层特性阻抗模型

3)外层差分阻抗模型

4)内层差分阻抗模型

5)共面性阻抗模型:

(A)外层共面特性阻抗

(B)内层共面特性阻抗

(C)外层共面差分阻抗

(D)内层共面差分阻抗.

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图3-6 常见阻抗模型

3、阻抗的计算

1)阻抗计算必要条件

板厚、层数(信号层数、电源层数)、板材、表面工艺、阻抗值、阻抗公差、铜厚

2)影响阻抗的因素

介质厚度、介电常数、铜厚、线宽、线距、阻焊厚度,如图3-7所示。

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图3-7 影响阻抗的因素

其中:

H1:介质的厚度(PP片或者板材,不包括铜厚)

Er1:PP片或者板材的介电常数,多种PP片或板材压合一起时取平均值

W1:阻抗线下线宽   W2:阻抗线上线宽

T1:成品铜厚      Cer:绿油的介电常数(3.3)

C1:基材的绿油厚度(一般按照0.8mil)

C2:铜皮或者走线上的绿油厚度(一般按照0.5mil)

Zo:计算出来的阻抗理论值

提示小助手:

一般来说上下线宽存在如下关系,如表3-3所示,上下线宽关系表。

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表3-3 上下线宽的关系对比图

3)计算方法

我们通过一个实例来演示下阻抗计算的方法及步骤

普通的FR-4板材一般有:生益,建滔,联茂等板材供应商。生益FR-4及同等材料芯板可以根据板厚来划分,如表3-4所示,列出了详细的厚度参数及介电常数。

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表3-4 常见生益FR-4芯板厚度及介电常数

半固化片(即PP片),一般包括:106,1080,2116,7628等,其厚度为:106为0.04MM,1080为0.06MM,2116为0.11MM,7628为0.19MM,如表3-5所示,列出了常见PP片的厚度参数及介电常数。

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表3-5常见PP片厚度参数及介电常数

对于Rogers板材,Rogers4350 0.1mm板材介电常数为3.36,其他Rogers4350板材介电常数为3.48。Rogers4003板材介电常数3.38,Rogers4403半固化片介电常数为3.17

我们知道每个多层板都是由芯板和半固化片通过压合而成的。当我们计算层叠结构时候通常需要把芯板和PP片叠在一起,组成板子的厚度,比如一个芯板+两张PP片叠加“芯片+106+2116”,那么他的理论厚度就是0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。但需注意以下几点:

1)一般不允许4张或4张以上PP叠放在一起,因为压合时容易产生滑板现象。

2)7628的PP一般不允许放在外层,因为7628表面比较粗糙,会影响板子的外观。

3)另外3张1080也不允许放在外层,因为压合时也容易产生滑板现象。

4)CORE一般选择大于0.11mm的,六层的一般2块芯板,8层的三块芯板

由于铜厚的原因我们的理论厚度和实测厚度有一定的差,具体可以参考图3-8。

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图3-8理论厚度于实测厚度

我们从图3-7可以看出,理论厚度和实测厚度存在铜厚的差额,可以从总计如下公式:

实测厚度=理论厚度-铜厚1(1-X1)-铜厚2(1-X2)

其中:

1、X表示残铜率,表层X取1,光板X取0

2、电源地平面残铜率一般为取值70%,信号层残铜率一般取值为23%

提示小助手:

残铜率是指板平面上有铜的面积和整板面积之比。比如张没有加工的原材料残铜率就是100%,蚀刻成光板时就是0%,

“OZ”标示铜厚单位“盎司”,1OZ=0.035mm

4、计算实例

1)叠层要求

板厚:1.2mm ,板材:FR4,层数:6层  铜厚:内层1OZ  表层0.5OZ

2)根据芯板和PP片常见厚度参数组合,并根据叠层厚度要求可以堆叠如下层压结构,如图3-9所示。

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图3-9 6层层压结构图

其中上图标示PP厚度为实际厚度,计算公式如下:

PP(3313)[实测值]=0.1034mm[理论值]-0.035/2mm*(1-1)[表层0.5OZ,残铜率取1]-0.035mm*(1-0.7)[内层1OZ,残铜率70%]=0.0929mm=3.65mil

PP(7628*3)[实测值]=0.1951*3[理论值]-0.035(1-0.23)[内层1OZ,相邻信号层残铜率取0.23%]-0.035(1-0.23)[内层1OZ,相邻信号层残铜率取0.23%]=0.5314mm=20.92mil

板子总厚度=0.5OZ+3.65+1OZ+5.1+1OZ+20.92+1OZ+5.1+1OZ+3.65+0.5OZ=1.15MM

3)打开SI9000软件,选择需要计算阻抗的阻抗模型,计算表层50欧姆单线阻抗线宽。如图3-10,根据压合层叠数据,填入相关已知参数。计算得出走线线宽W0=6.8mil,这个是计算出比较粗的走线,有时候会基于走线难度准许阻抗存在一定的误差,所以可以根据计算得出的走线线宽来稍微调整,比如我们调整计算参数走线5.5mil时,计算阻抗Zo=54.82,如图3-11所示计算结果。

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图3-10 根据阻抗计算线宽

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图3-11 根据线宽微调阻抗值

4)需计算内层(以第三层为例)90欧姆差分阻抗走线线宽与间距,如图3-12,选择内层差分阻抗模型,根据压合层叠数据,填入已知参数,然后可以通过阻抗要求,调整线宽和间距,分别计算,考虑到板卡设计难度可以微调阻抗在准许范围之内即可。

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图3-12 90欧姆差分阻抗计算结果

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表3-6 阻抗计算结果

 

原文标题:关于阻抗,你不得不知道的事情

文章出处:【微信公众号:凡亿PCB】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

责任编辑:haq

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