protel 2004中如何进行阻抗控制？

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看图

关于阻抗控制

一、前言

    随着科技技术的进步，集成电路集成度提高和应用、电路的工作速度愈来愈快，信号传输频率和速度愈来愈高，印制板上的导线必须扮演高性能的传输线，将输出端的信号完整，准确的传送到接收器件的输入端。常规印制线路板用在高速，高频信号时则使得低频电路中所没有出现的阻抗匹配问题表面化。任何元件尽管有很高的传输频率，经过PCB导线传输后，原来很高的频率就降低下来或时间廷迟了。由于高速零件的广泛应用，致使民路板必须跟上时代的脚步与之适应。
    在高性能的PCB设计时，当信号频率增加，典型的是当频率达200-300MHZ以上时，对PCB线条的要求就更严格了[5]。理论证实当阻抗匹配时信号线的信号传输值最大[5]。此时输入端和输出端信号频率一致，没有减少或廷迟。但随着电子元器件工作频率加快脉冲周期缩短，PCB导线长度接近于元件发送的信号速度（或波长）的某一范围时，这时候元件的信号在PCB导线传输时就会出现明显的“失真”。当信号在PCB导线中传输时，若导线的长度接近信号波长的1/7，此时的导线便成为信号传输线。[3.5]原来的传输信号线应愈短愈好，这样就可以把传输线当成普通的导线来对待；所以提高PCB的布线密度和缩小导线长充是有利的；PCB结构小尺寸，短导线，高密度互连（HDI）很适合高频信号或高速逻辑信号的传送。高密度布线时，介质层愈薄，相互间串扰就会越小；尽可能的减少平行线，避免相互干扰，因为相邻导线互为平行走线时，会产生电感和电容从而产生更大的串扰，这是产生杂音信号的原因，因此相邻导线间的走向互相垂直步设或采用阶梯斜向45°走线；相邻两导线层间也应互相垂直布线以减少或消除平行线。总之，由于技术的进步，印制线路板已不仅是一个简单的互连工具，也就是说PCB的线路已不再是简单的导线，还必须扮演良好的传输线，特性阻抗的控制值是高性能PCB设计和生产最重要的技术项目之一。所以必须对其信号线，介质层，接地层等所共处的系统的参数进行小心的控制，才能达到相应的质量要求。控制阻抗值可避免信号的损失，进而必须改变PCB的制造技术。但大家都知道，再好的PCB制造技术，如果没有设计人员的好的PCB设计理念，设计思想，以及对PCB工艺技术了解，不可能生产出符合设计者初衷的板子，也满足不了实际应用的需要。在内层结构中通常采用带状线和双带状线结构。带状线是指镶嵌在两个交流地层间的薄细导线，与微带线比较每层电路与地的电子耦合更近，只不过是两个基准层之间有两个信号层，两个信号层之间导线通常互相垂直，使得层间一行和串扰降至最低，这些都是影响产品最终性能的重要因素。因此将探计什么因素会影响阻抗值，引起阻抗的不匹配，进而探讨控制材料，介质层厚度，尺寸等以达到控制特性阻抗值，获得良好的阻抗匹配以有利于信号的有效传播。
    需要控制特性阻抗的印制线路板类型越来越多，比如：电信，高速的计算机板，雷达，军方应用等等，最常见的如MODEMS，无绳电话，模拟电视，DVD，CD及彩色打印机等等[5]。
多层印制线路板最适合于制作控制特性阻抗的互连导线。控制特性阻抗将以严格的方式构成。a.线的宽度和厚度；b.两面的介质层或半固化片的厚度；c.介质层或半固化片材料的介电常数“dielectric constrant”;d.详细的构造；
    特性阻抗与PCB设计的布局和走线方式密切相连，种类很多，下面仅就典型几种常用的结构进行讨论，以此为设计者提供一些参考。

二、常用有特性阻抗的PCB结构

常用结构形式：
（图1，2，3是特性阻抗，图4，5，6为差分阻抗）
（H=绝缘介质层高度    H1=绝缘介质层厚度    W=线宽    T=线厚）

       在印制板生产过程中，根据我们单位实际生产的特性阻抗要求的PCB，微带线为涂覆的表面微带线和表面涂覆的差分微带线两种最为常见。其中优以50Ω的表面微带线和100Ω的差分线为最多，当然也有60Ω和75Ω等情况。下面就可以简单的50Ω表面微带线为例谈谈在设计时应当注意的问题，其他的情况以此类推。
表面微带线：根据IPC计算公式[4]

可以看出，特性阻抗值与Er，H，W，T密切相关，改变H，W，Er，T值的大小会对Z0有影响，下面是Z0=50Ω时，相应的Er约为4.6，H为62mil，W1为110mil，T为1.4mil典型的表面微带线结构[2]，相应改变H，W，Er和T对应的图形。

    由此可见各种参数对Z0的影响程度是不同的，影响最大的是介质厚度H，其次是介质常数Er和导线宽度W，影响最小的是导线厚度T。但当基板材选好，对PCB的生产者而言，介质常数变化小，H是可选大理的H值，即板厚度，再考虑合适的线宽度，只有这样，才好控制合适的特性阻抗值。通常一个比较简单可参考的控制范围在±20%的表面微带线是线宽是板厚的两倍。

三、实际应用过程中的注意事项

    往往设计人员在常规的设计中愿意在表层同样覆铜或覆成网格状大地在表面微带线附近，这对特性阻抗

   值有较大的影响。以我们实际生产和测试的一个双面板为例（仅是要求阻抗线的局部），黑色箭头线线宽30mil,与大地间距25mil，板厚要求1.6mm。按此例进行计算，用标准的Er为4.6表面微带线按PORLAR CITS25进行计算，Z0=89.5Ω，但按同样线宽间距布大地的测试条和实测此印制板的特性阻抗为76Ω，与计算值相差甚远。所以必须考虑结构变化。铺设大地线边沿到微带线的间距不同，影响也很大。

    而按照如下图8设计线宽120mil线宽的表面微带线（局部），生产前设计者与我们共同商量，只要求50Ω的特性阻抗值。因此为设计者提供建议，单劈一处独立的区域做为特殊要求使用，并在生产时加入测试条，随后测试附连测试条。材料仍用标准的FR-4环氧板材，标称厚度1.6，成品测试特性阻抗值Z0=51.28Ω；此板生产中只是在选择板材时特殊注明了板厚的公差要求，其他要求按常规处理，完全能达到设计者50Ω特性阻抗，用于GPS天线的要求，用户调试结果满意。
    我们在过去已经实验过根据IPC计算公式和用PORLAR CITS25计算和实际金相剖析后再计算特性阻抗值，试验误差小于10%，但大面积在表面微带线面覆地后却误差很大。因此在实际设计过程中要考虑到各种因素的影响。PCB结构有变化，必然会影响特性阻抗值的不同。设计者在生产前所以最好和生产厂家进行协商，了解所选材质介电常数的大小，以及板厚，线宽的要求，通过合理的控制，完全可以生产出合格的印制板。当然，最难的设计在多层板的设计，我在此不多谈常规设计，只根据自己的实际经验，谈谈在多层板的特性阻抗设计中应当注意的问题，给PCB的设计者在以后的工作中提供一些帮助。
    在考虑多层板的结构时，最多典范的是图3，4，5样的内层结构，简单的如图3只有一根信号线对电或地，即夹在两个电地的中间。设计者总体设计时除考虑选材外，一定要考虑到线的宽和介质层厚度的比例，但精细的介质厚度对PCB层压而言是很难控制的，因此在生产前与PCB生产厂家沟通是很必要的，必要时更改导线宽度比控制厚度更容易实现。
    以一个典型的8层板为例：如下示意图结构排序

    图中1层是差分线，除考虑线宽和介质层厚度外必须计算好合适的间距，对精细线条而言，同样大小，小间距比细线条工艺难度更大。生产厂家加导线工艺补偿时要尽量避免改变间距，影响差分阻抗值。上图3，4层线是在两个电地中间走两层信号线（如图5），除上述因素外还必须考虑两层间介质层厚度和两线间偏移对差分阻抗的影响。当然，在所有的多层板的生产过程中，合理的排序和层间压制方法很重要，对严格要求阻抗的层，尽可能选用薄双面板来做，好控制厚度；但按上图示结构，不论怎样，有的层间的厚度必须由层压半固化片来控制。比如若1/2，3/4，5/6，7/8层各一对，2-3层，4-5层或6-7层就需要加半固化片来控制；为控制总厚度需要，大致选在板厚0.15mm左右，但到底是选5mil还是6mil厚度合适?再如2/3，4/5，6/7各一对，外面压铜箔；1-2层，3-4层，5-6层，7-8层之间的厚度就需要靠压制完成，5mil还是6mil看起来厚度差不大，按设计者用的各种软件计算也很方便，但实际压制过程却很不好控制，并且对细线条的阻抗却影响不小。因此在计算时设计者应当事先与生产厂家的工程师协商，尽量根据半固化片的张数和厚度来合理控制厚度，再确定线宽和间距，这样相对而言比完全不管生产方式方法指定厚度容易得多。生产厂家根据自己生产的工艺参数，适当修正设计者的设计值，比如线宽，间距，或层间厚度，先通过软件计算，提供合理的阻抗值区间来达到设计要求。由于PCB加工工艺的复杂性，底片制作，晒像，电镀，蚀刻等各步骤都有可能引起缺口，针孔，凸出和凹陷等问题[2]，因此特性阻抗控制，对PCB厂家来言实际上就是要加工出理想和完美的PCB导线，从而达到控制特性阻抗的要求。而好的设计，可以大大的减少生产难度，提高产品合格率。

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