PCB阻抗匹配設計技術要求及方法

阻抗匹配和降低傳輸線損耗是高速印刷電路板（PCB）的重要指標。 阻焊層作為PCB的重要組成部分，對外部傳輸線的阻抗和損耗影響很大。 對于高速PCB的設計和制造，了解阻焊層對阻抗和損耗的影響以及如何降低阻焊層對PCB電性能的影響是很重要的。 本文對比分析了非阻焊層和阻焊油墨覆蓋前后PCB電性能的變化，重點研究了常規阻焊油墨對外部傳輸線阻抗和損耗的影響，可以 為高速PCB設計和阻抗匹配設計提供參考數據。 我們焊錫油墨的介電常數一般為4.0，損耗因數為0.02-0.04。

一、前言

隨著科學技術的發展，電子產品不斷向著高密度、多功能、高頻、高速信號傳輸的方向發展。 目前，骨干網的信號傳輸頻率已經達到100Gbit/s，相應的單信道傳輸速率也達到了10Gbit/s甚至25Gbit/s，高速信號傳輸保持著快速發展的態勢。 信號傳輸的高速發展使得信號傳輸過程中更容易出現反射、串擾等信號完整性問題。 傳輸速率越快，信號損失越大。 如何減少信號在傳輸過程中的損失，保證信號的完整性，是高速PCB發展面臨的巨大挑戰。

二、阻抗的主要類型及影響因素

阻抗（Zo）的定義：已知頻率的交流電流流過它所引起的總電阻稱為阻抗（Zo）。 對于印刷電路板，它是指在高頻信號下信號層到其最近的參考平面的總阻抗。

2.1阻抗型：

(1)特性阻抗在計算機、無線通訊等電子信息產品中，PCB電路中傳輸的能量是由電壓和時間組成的方波信號(稱為脈沖)，它遇到的電阻稱為特性阻抗。

(2)差分阻抗驅動端輸入兩個極性相反的相同信號波形，分別通過兩條差分線傳輸，在接收端將兩個差分信號相減。 差分阻抗是兩條線之間的阻抗Zdiff。

(3)奇模阻抗 兩條線中一條線對地的阻抗 Zoo 是相同的。

(4)偶模阻抗驅動端輸入極性相同的兩個相同信號波形連接兩條線時的阻抗Zcom。

(5)共模阻抗 兩條線中一條線對地的阻抗Zoe相同，通常大于奇模阻抗。

其中，特性和差分是共阻抗，共模和奇模很少見。

2.2影響阻抗的因素：

W——阻抗隨線寬/線寬增加而減小，阻抗隨距離增加而增加；

H——阻抗隨絕緣厚度的增加而增加；

T——阻抗隨銅厚的增加而減小；

H1——阻抗隨綠油厚度的增加而降低；

Er——介電常數參考層DK值增大，阻抗減小；

Undercut - 阻抗隨著 - W1-W undercut 的增加而增加。

三、阻抗計算自動化

如今，業界最常用的阻抗計算工具是 Polar 提供的 Si8000 Field Solver。 Si8000是一款全新的邊界元法場效應計算軟件，它建立在我們熟悉的早期Polar阻抗設計系統的用戶界面之上。 該軟件包括各種阻抗模塊。 人員通過選擇具體模塊，輸入線寬、線距、介質層厚度、銅厚、Er值等相關數據，即可計算出阻抗結果。 一塊PCB的阻抗控制數量從4~5組到幾十組不等。 每組都有不同的控制線寬、介質厚度、銅厚等，如果逐一核對數據，然后手動輸入相關參數進行計算，既費時又容易出錯。 PCB制造商、PCB設計師和PCBA制造商將講解PCB阻抗匹配設計的技術要求和方法。