PCB阻抗匹配设计技术要求及方法

PCB阻抗匹配设计技术要求及方法

阻抗匹配和降低传输线损耗是高速印刷电路板（PCB）的重要指标。 阻焊层作为PCB的重要组成部分，对外部传输线的阻抗和损耗影响很大。 对于高速PCB的设计和制造，了解阻焊层对阻抗和损耗的影响以及如何降低阻焊层对PCB电性能的影响是很重要的。 本文对比分析了非阻焊层和阻焊油墨覆盖前后PCB电性能的变化，重点研究了常规阻焊油墨对外部传输线阻抗和损耗的影响，可以 为高速PCB设计和阻抗匹配设计提供参考数据。 我们焊锡油墨的介电常数一般为4.0，损耗因数为0.02-0.04。

一、前言

随着科学技术的发展，电子产品不断向着高密度、多功能、高频、高速信号传输的方向发展。 目前，骨干网的信号传输频率已经达到100Gbit/s，相应的单信道传输速率也达到了10Gbit/s甚至25Gbit/s，高速信号传输保持着快速发展的态势。 信号传输的高速发展使得信号传输过程中更容易出现反射、串扰等信号完整性问题。 传输速率越快，信号损失越大。 如何减少信号在传输过程中的损失，保证信号的完整性，是高速PCB发展面临的巨大挑战。

二、阻抗的主要类型及影响因素

阻抗（Zo）的定义：已知频率的交流电流流过它所引起的总电阻称为阻抗（Zo）。 对于印刷电路板，它是指在高频信号下信号层到其最近的参考平面的总阻抗。

2.1阻抗型：

(1)特性阻抗在计算机、无线通讯等电子信息产品中，PCB电路中传输的能量是由电压和时间组成的方波信号(称为脉冲)，它遇到的电阻称为特性阻抗。

(2)差分阻抗驱动端输入两个极性相反的相同信号波形，分别通过两条差分线传输，在接收端将两个差分信号相减。 差分阻抗是两条线之间的阻抗Zdiff。

(3)奇模阻抗 两条线中一条线对地的阻抗 Zoo 是相同的。

(4)偶模阻抗驱动端输入极性相同的两个相同信号波形连接两条线时的阻抗Zcom。

(5)共模阻抗 两条线中一条线对地的阻抗Zoe相同，通常大于奇模阻抗。

其中，特性和差分是共阻抗，共模和奇模很少见。

2.2影响阻抗的因素：

W——阻抗随线宽/线宽增加而减小，阻抗随距离增加而增加；

H——阻抗随绝缘厚度的增加而增加；

T——阻抗随铜厚的增加而减小；

H1——阻抗随绿油厚度的增加而降低；

Er——介电常数参考层DK值增大，阻抗减小；

Undercut - 阻抗随着 - W1-W undercut 的增加而增加。

三、阻抗计算自动化

如今，业界最常用的阻抗计算工具是 Polar 提供的 Si8000 Field Solver。 Si8000是一款全新的边界元法场效应计算软件，它建立在我们熟悉的早期Polar阻抗设计系统的用户界面之上。 该软件包括各种阻抗模块。 人员通过选择具体模块，输入线宽、线距、介质层厚度、铜厚、Er值等相关数据，即可计算出阻抗结果。 一块PCB的阻抗控制数量从4~5组到几十组不等。 每组都有不同的控制线宽、介质厚度、铜厚等，如果逐一核对数据，然后手动输入相关参数进行计算，既费时又容易出错。 PCB制造商、PCB设计师和PCBA制造商将讲解PCB阻抗匹配设计的技术要求和方法。