高速PCB高精度特性阻抗设计

摘要：随着微电子技术的快速发展，信号的上升沿越来越快，高速电路产生的传输线效应日趋严重，PCB工程师必须采用基于传输线理论的高速PCB设计技术才能确保电路正常工作。特性阻抗设计是解决高速电路传输线效应的核心和基础，借助Polar公司的Si9000阻抗计算软件，结合PCB制造商提供的材料参数以及加工工艺对阻抗的影响，可设计出符合自身产品特点的高精度特性阻抗模块。

关键词：高速PCB；特性阻抗设计；材料参数；传输线

中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：10053824（2014）04-0059-04

0引言

信号的上升时间是决定高速问题的关键，当信号的上升时间和传输延时可以比拟时，即认为该电路为高速电路。随着微电子技术的快速发展，信号的上升沿越来越快，高速电路产生的传输线效应日趋严重[1]。对于目前主流的高速电路（比如：DDR3，SERDES等），PCB工程师必须采用基于传输线理论的高速PCB设计技术才能确保电路正常工作。

特性阻抗设计和控制是解决高速电路传输线效应的核心和基础，受到越来越多的PCB工程师和制造商的重视。要获得最终的高精度特性阻抗电路板产品，需要从PCB设计、加工和阻抗测试等多个方面进行控制[2]。

1高精度特性阻抗设计的必要性

特性阻抗设计的目的是让同一信号在其传输路径上具有相同的阻抗值，即阻抗匹配。在高速PCB中，当信号链路上阻抗不匹配时，会引起信号畸变、电磁辐射发射加重以及反射等问题，如图1。

笔者曾采用基于传输线理论的高速PCB设计技术设计过采用TI公司C6670芯片的DSP模块，该模块包括多路高速SERDES接口（PCIE、SRIO、AIF）。在功能调试时发现只有1路SERDES接口能正常工作，模块调试平台如图2所示。

经过分析，初步判定高速SERDES信号在整个信号链路上阻抗不匹配是引起功能问题的主要原因。DSP模块和CPU模块在PCB设计和加工时对特性阻抗进行了严格控制，而调试底板没有进行控制，故对调试底板PCB设计进行更改。通过与制造商沟通，根据其提供的材料参数和加工工艺对特性阻抗的影响，重新进行叠层设计并根据新的叠层参数精确计算所需目标阻抗对应的线宽和间距，同时要求制造商按照特性阻抗板进行加工。在采用新的调试底板调试时，所有高速接口功能正常，满足设计要求。

2PCB的特性阻抗

IPCD2141指出：“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”。传输线有2个非常重要的特征，特性阻抗和时延。其中，特性阻抗是描述传输线电气特性和信号与传输线相互作用关系的一个重要参数，它是传输线的固有属性，且仅与材料特性、介电常数和单位长度电容量、电感量有关，而与传输线的长度无关[47] 。

目前，大部分资料将特性阻抗分为单端阻抗和差分阻抗2种：单端阻抗是指单根信号线测得到的阻抗；差分阻抗是指当差分驱动时在2条等宽等间距的传输线中测试得到的阻抗。在PCB设计中，特性阻抗模块种类较多，例如英国Polar公司的Si9000阻抗计算软件就提供了几十种类型的特性阻抗模块，其中工程应用中使用最多的是以下4种特性阻抗模块，如图4所示。

图4常用特性阻抗模块虽然特性阻抗模块种类很多，但最终可简化为微带线和带状线2种典型的传输线模型，如图5所示。

图52种典型的传输线模型对于微带线，IPC推荐的通用近似公式为

3影响特性阻抗的主要因素

3.1介电常数

介电常数是指当电极间充以某种物质时的电容值与同样构造的真空电容器的电容值之比。特性阻抗与其平方根成反比。介电常数是由材料本身的特性决定的，且与信号频率有关。即使同一种规格的材料，不同的生产厂家生产出来的产品其介电常数也不一致。

3.2介质厚度

特性阻抗与介质厚度成正比。介质厚度主要由生产中的芯板（Core）和半固化片（PP）在经过层压后，测量实际的厚度而得出的。实际厚度不但跟芯板和半固化片的理论厚度有关外，还与上下线路的图形分布有关，同一张半固化片在覆铜面的填胶量和在线路面的填胶量是不一样的，且填胶量与基铜厚度有关。

3.3导线宽度

特性阻抗与导线宽度成反比。成品板的导线宽度不等于PCB设计中的导线宽度，导线实际宽度主要由板材基铜厚度以及PCB生产过程中的电镀、蚀刻等相关工艺决定。由于生产中的侧蚀原因，会导致成品板导线上端宽度小于下端宽度，且表层走线和内层走线的线宽差距不一致。

3.4导线厚度

特性阻抗与导线厚度成反比。导线厚度主要由板材的基铜厚度以及PCB生产过程中的电镀、蚀刻等相关工艺决定。由于加工工艺原因，表层导线的实际厚度通常大于设计厚度，内层导线的实际厚度通常小于设计厚度，即使基铜厚度一样，不同的加工厂家加工后的成品铜厚也不一样。

3.5阻焊厚度

特性阻抗与阻焊厚度成反比。PCB表面是否覆盖阻焊对特性阻抗有一定的影响。在特性阻抗设计时必须考虑阻焊厚度和介电常数对阻抗的影响。通常情况下，印在线路上的阻焊厚度与印在基材上的阻焊厚度是不一样的。

4高精度特性阻抗设计案例

5结论

特性阻抗设计作为解决高速电路传输线效应的核心和基础，已得到越来越多的PCB工程师和制造商的重视，PCB制造商也开始提供自己的特性阻抗模块供PCB工程师使用。然而，制造商提供的特性阻抗模块更多的是考虑其通用性和加工成本，对高速信号参考平面的考虑不够全面，且制造商提供的阻抗模块通常不包括特殊的目标阻抗值。

对于高速PCB设计，PCB工程师应该掌握不同材料参数和加工工艺对特性阻抗的影响，然后利用阻抗计算软件设计出满足自身产品要求的目标阻抗。当然，要想最终获得满足自身产品特点的高品质特性阻抗板，需要PCB设计师、制造商共同努力，明确目标阻抗要求，充分考虑材料参数和加工工艺对阻抗的影响，从PCB设计、加工和阻抗测试等多方面进行控制。

参考文献：

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