1、阻抗計算的必要性
當電壓電流在傳輸線傳播的時候,如果特性阻抗不一致就會造成所謂的信號反射現象等等。在信號完整性領域里,比如反射,串擾,電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續問題,因此匹配的重要性在此展現出來。
2、常見阻抗模型
我們一般利用Polar.SI9000阻抗計算工具進行阻抗計算,在計算之前我們需要認識常見的阻抗計算模型,常見的阻抗模型有特性阻抗、差分阻抗、共面性阻抗。如圖3-6所示,阻抗模型又細分為如下幾類:
1)外層特性阻抗模型
2)內層特性阻抗模型
3)外層差分阻抗模型
4)內層差分阻抗模型
5)共面性阻抗模型:
(A)外層共面特性阻抗
(B)內層共面特性阻抗
(C)外層共面差分阻抗
(D)內層共面差分阻抗.
圖3-6 常見阻抗模型
3、阻抗的計算
1)阻抗計算必要條件
板厚、層數(信號層數、電源層數)、板材、表面工藝、阻抗值、阻抗公差、銅厚
2)影響阻抗的因素
介質厚度、介電常數、銅厚、線寬、線距、阻焊厚度,如圖3-7所示。
圖3-7 影響阻抗的因素
其中:
H1:介質的厚度(PP片或者板材,不包括銅厚)
Er1:PP片或者板材的介電常數,多種PP片或板材壓合一起時取平均值
W1:阻抗線下線寬 W2:阻抗線上線寬
T1:成品銅厚 Cer:綠油的介電常數(3.3)
C1:基材的綠油厚度(一般按照0.8mil)
C2:銅皮或者走線上的綠油厚度(一般按照0.5mil)
Zo:計算出來的阻抗理論值
提示小助手:
一般來說上下線寬存在如下關系,如表3-3所示,上下線寬關系表。
表3-3 上下線寬的關系對比圖
3)計算方法
我們通過一個實例來演示下阻抗計算的方法及步驟
普通的FR-4板材一般有:生益,建滔,聯茂等板材供應商。生益FR-4及同等材料芯板可以根據板厚來劃分,如表3-4所示,列出了詳細的厚度參數及介電常數。
表3-4 常見生益FR-4芯板厚度及介電常數
半固化片(即PP片),一般包括:106,1080,2116,7628等,其厚度為:106為0.04MM,1080為0.06MM,2116為0.11MM,7628為0.19MM,如表3-5所示,列出了常見PP片的厚度參數及介電常數。
表3-5常見PP片厚度參數及介電常數
對于Rogers板材,Rogers4350 0.1mm板材介電常數為3.36,其他Rogers4350板材介電常數為3.48。Rogers4003板材介電常數3.38,Rogers4403半固化片介電常數為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。當我們計算層疊結構時候通常需要把芯板和PP片疊在一起,組成板子的厚度,比如一個芯板+兩張PP片疊加“芯片+106+2116”,那么他的理論厚度就是0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。但需注意以下幾點:
1)一般不允許4張或4張以上PP疊放在一起,因為壓合時容易產生滑板現象。
2)7628的PP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。
3)另外3張1080也不允許放在外層,因為壓合時也容易產生滑板現象。
4)CORE一般選擇大于0.11mm的,六層的一般2塊芯板,8層的三塊芯板
由于銅厚的原因我們的理論厚度和實測厚度有一定的差,具體可以參考圖3-8。
圖3-8理論厚度于實測厚度
我們從圖3-7可以看出,理論厚度和實測厚度存在銅厚的差額,可以從總計如下公式:
實測厚度=理論厚度-銅厚1(1-X1)-銅厚2(1-X2)
其中:
1、X表示殘銅率,表層X取1,光板X取0
2、電源地平面殘銅率一般為取值70%,信號層殘銅率一般取值為23%
提示小助手:
殘銅率是指板平面上有銅的面積和整板面積之比。比如張沒有加工的原材料殘銅率就是100%,蝕刻成光板時就是0%,
“OZ”標示銅厚單位“盎司”,1OZ=0.035mm
4、計算實例
1)疊層要求
板厚:1.2mm ,板材:FR4,層數:6層 銅厚:內層1OZ 表層0.5OZ
2)根據芯板和PP片常見厚度參數組合,并根據疊層厚度要求可以堆疊如下層壓結構,如圖3-9所示。
圖3-9 6層層壓結構圖
其中上圖標示PP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0.5OZ,殘銅率取1]-0.035mm*(1-0.7)[內層1OZ,殘銅率70%]=0.0929mm=3.65mil
PP(7628*3)[實測值]=0.1951*3[理論值]-0.035(1-0.23)[內層1OZ,相鄰信號層殘銅率取0.23%]-0.035(1-0.23)[內層1OZ,相鄰信號層殘銅率取0.23%]=0.5314mm=20.92mil
板子總厚度=0.5OZ+3.65+1OZ+5.1+1OZ+20.92+1OZ+5.1+1OZ+3.65+0.5OZ=1.15MM
3)打開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3-10,根據壓合層疊數據,填入相關已知參數。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,所以可以根據計算得出的走線線寬來稍微調整,比如我們調整計算參數走線5.5mil時,計算阻抗Zo=54.82,如圖3-11所示計算結果。
圖3-10 根據阻抗計算線寬
圖3-11 根據線寬微調阻抗值
4)需計算內層(以第三層為例)90歐姆差分阻抗走線線寬與間距,如圖3-12,選擇內層差分阻抗模型,根據壓合層疊數據,填入已知參數,然后可以通過阻抗要求,調整線寬和間距,分別計算,考慮到板卡設計難度可以微調阻抗在準許范圍之內即可。
圖3-12 90歐姆差分阻抗計算結果
表3-6 阻抗計算結果
原文標題:關于阻抗,你不得不知道的事情
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