宋海波 羅 松 符 博 鄧倫華
[(勝宏科技(惠州)股份有限公司,廣東 惠州 516211)]
近年來,隨著高頻高速信號的快速發(fā)展,對印制電路板(printed circuit board,PCB)的信號完整性要求越來越嚴(yán)格。其中,阻抗匹配性是至關(guān)重要的問題。為保證有效的阻抗匹配性,PCB阻抗控制成為重中之重。然而,隨著電子產(chǎn)品不斷朝小型化、多功能化等智慧型方向發(fā)展,PCB上安裝元器件越來越密集,走線設(shè)計(jì)不可避免地出現(xiàn)阻抗線到銅間距不足的問題,在PCB 制作時(shí)經(jīng)常會忽略線到銅間距對阻抗的影響,導(dǎo)致實(shí)際阻抗達(dá)不到要求。因此,本文研究了一種能解決導(dǎo)線間距對阻抗影響的方法。
信號線:用作信號傳輸載體的走線。一般有兩種,分別是微帶線和帶狀線。
接地層:PCB 阻抗中的接地回路層,又稱為參考層。
跨層阻抗:信號線與參考層為非相鄰層的阻抗。
共面阻抗:接地線在信號線旁邊布線,且接地線通過孔連接到相對層上的接地部分的阻抗。PCB 布線設(shè)計(jì)中,接地線與相對層上的接地部分一般均設(shè)計(jì)為銅面。
跨越層:跨層阻抗中,信號線與參考層中間所跨過的層次。例如信號線L1 層與參考層L5 層的阻抗模型設(shè)計(jì)中的L2、L3、L4 層均為跨越層,如圖1所示。
圖1 阻抗疊構(gòu)示意圖
線到銅間距:阻抗信號線與旁邊接地線間的距離。
切面間距:信號線投影部分到跨越層中旁邊線路或銅面的距離。
阻抗基本的要求信息見表1。
表1 阻抗基本信息
在同一片板上分別設(shè)計(jì)不同線寬大小、不同的線到銅間距的阻抗,測試驗(yàn)證各種線寬下,線到銅間距的變化對阻抗的影響。通常情況下,阻抗線到銅間距設(shè)計(jì)為0.50 mm。不同線到銅間距的阻抗量測數(shù)據(jù)見表2。
表2 不同線到銅間距的阻抗量測數(shù)據(jù)
3.1.1 驗(yàn)證分析
①隨著線到銅的距離變大,對應(yīng)的阻抗也不斷變大,當(dāng)線到銅距離變大到一定程度時(shí),阻抗基本不變。② 線寬≤0.175 mm 的阻抗,線到銅的距離是線寬的3 倍(約0.50 mm)以上時(shí),阻抗基本不變;線到銅的距離是線寬的2 倍以上時(shí),阻抗的變化較小,在0.5 Ω 以內(nèi)。③線寬在0.175 mm 以上的阻抗,線到銅的距離是線寬的2倍以上時(shí),阻抗基本不變。
3.1.2 小結(jié)
常規(guī)阻抗線到銅間距設(shè)計(jì)最小需滿足≤20 mm且是線寬的2 倍以上,否則,需按照共面阻抗方式設(shè)計(jì),將線到銅間距代入阻抗計(jì)算。
在同一片板上分別設(shè)計(jì)相同線寬、相同線到銅間距、不同切面間距的阻抗,測試驗(yàn)證不同切面間距的變化對阻抗的影響,其中,線寬0.50 mm,線到銅間距0.50 mm,特性阻抗設(shè)計(jì)值74.5 Ω。不同切面間距的阻抗量測數(shù)據(jù)見表3。
表3 不同切面間距的阻抗量測數(shù)據(jù)
3.2.1 小結(jié)
當(dāng)跨越層L2、L3、L4層中有任意一層的切面間距小于線到銅間距時(shí),實(shí)測阻抗值均會小于設(shè)計(jì)阻抗值74.5 Ω,且跨越層中切面間距越小,對應(yīng)阻抗實(shí)測值越?。划?dāng)跨越層L2、L3、L4層所有層次的切面間距大于或等于線到銅間距時(shí),實(shí)測阻抗值與設(shè)計(jì)阻抗值74.5 Ω相符合。
因此,跨層阻抗設(shè)計(jì)中,跨越層任意一層切面間距必須大于或等于阻抗信號線到銅的距離。
為了保證阻抗?jié)M足客戶需求,準(zhǔn)確判斷阻抗的真實(shí)情況,通過間距對阻抗影響的驗(yàn)證分析,PCB非共面阻抗設(shè)計(jì)中線到銅間距必須≤0.50 mm,且大于線寬的2 倍,跨層阻抗的跨越層切面間距必須大于或等于阻抗信號線到銅的距離。