PCB层叠及阻抗
11 Aug 2019 2627字 9分 次 PCB打赏作者 CC BY 4.0 （除特别声明或转载文章外）
1 前言
之前学习过凡亿郑振宇老师的《Altium 4层核心板全程PCB实战视频教程（Fly-by菊花链拓扑）》，里面提了一下阻抗计算，通过阻抗计算来确定走线宽度。
- 开发环境：
- Polar Si9000
- 操作系统：
- Windows 10 Pro 1903
2 PCB层叠
郑振宇老师的《Altium Designer 17 电子设计速成实战宝典》一书中将2、4、6、8层板的叠层结构和每种结构的优缺点都讲得很明白，并且给出了不同层数的推荐结构。
3 PCB的阻抗计算
3.1 为什么要计算阻抗
当电压电流在传输线传播的时候，如果特性阻抗不一致就会造成所谓的信号反射现象等等。在信号完整性领域里，比如反射、串扰、电源平面切割等问题都可以归类为阻抗不连续问题，因此匹配的重要性在此展现出来。
3.2 常见阻抗模型
这里使用Polar Si9000进行阻抗计算，在计算之前需要认识常见的阻抗计算模型，常见的阻抗模型有特性阻抗、差分阻抗、共面性阻抗。阻抗模型又细分为如下几类：
- 外层特性阻抗模型
- 内层特性阻抗模型
- 外层差分阻抗模型
- 内层差分阻抗模型
- 共面性阻抗模型
- 外层共面特性阻抗
- 内层共面特性阻抗
- 外层共面差分阻抗
- 内层共面差分阻抗
3.3 阻抗计算
阻抗计算的必要条件：
- 板厚；
- 层数（信号层数、电源层数）；
- 板材；
- 表面工艺；
- 阻抗值；
- 阻抗公差；
- 铜厚。
影响阻抗的因素：
- 介质厚度；
- 介电常数；
- 铜厚；
- 线宽；
- 阻焊厚度。
如下图所示：
其中：
- H1：介质的厚度（PP片或者板材，不包括铜厚）；
- Er1：PP片或者板材的介电常数，多种PP片或板材压合一起时取平均值；
- W1：阻抗线下线宽；
- W2：阻抗线上线宽；
- T1：成品铜厚；
- Cer：绿油的介电常数（3.3）；
- C1：基材的绿油厚度（一般按照0.8mil）；
- C2：铜皮或者走线上的绿油厚度（一般按照0.5mil）；
- Zo：计算出来的阻抗理论值。
一般来说上下线宽存在如下关系（W0为设计线宽，S0为设计线距·）：
| 基铜厚 | 上线宽（mil） | 下线宽（mil） | 线距（mil） |
|---|---|---|---|
| 内层 18um | W0-0.1 | W0 | S0 |
| 内层 35um | W0-0.4 | W0 | S0 |
| 内层 70um | W0-1.2 | W0 | S0 |
| 负片 42um | W0-0.4 | W0+0.4 | S0-0.4 |
| 负片 48um | W0-0.5 | W0+0.5 | S0-0.5 |
| 负片 65um | W0-0.8 | W0+0.8 | S0-0.8 |
| 外层 12um | W0-0.6 | W0+0.6 | S0-0.6 |
| 外层 18um | W0-0.6 | W0+0.7 | S0-0.7 |
| 外层 35um | W0-0.7 | W0+0.9 | S0-0.9 |
| 外层 12um（全板镀金工艺） | W0-1.2 | W0 | S0 |
| 外层 18um（全板镀金工艺） | W0-1.2 | W0 | S0 |
| 外层 35um（全板镀金工艺） | W0-2.0 | W0 | S0 |
普通的FR-4板材一般有：生益，建滔，联茂等板材供应商。生益FR-4及同等材料芯板可以根据板厚来划分，下表列出了详细的厚度参数及介电常数：
| 类别 | 板芯（mil） | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 4.33 | 5.1 | 5.9 | 7.0 | 8.27 | 10.0 | 14.5 | 20.0 | 28 | ≥31.5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| （mm） | 0.051 | 0.075 | 0.102 | 0.11 | 0.13 | 0.15 | 0.18 | 0.21 | 0.25 | 0.36 | 0.51 | 0.71 | ≥0.8 | |
| Tg≤170 | 介电常数 | 3.6 | 3.65 | 3.95 | 无 | 3.95 | 3.65 | 4.2 | 3.95 | 3.95 | 4.2 | 4.1 | 4.2 | 4.2 |
| IT180AS1000-2 | 介电常数 | 3.9 | 3.95 | 4.25 | 4.0 | 4.25 | 3.95 | 4.5 | 4.25 | 4.25 | 4.5 | 4.4 | 4.5 | 4.5 |
半固化片（PP片），一般包括：106、1080、2116、7628等，其厚度为0.04mm、0.06mm、0.11mm、0.19mm，下表列出了常见PP片的厚度参数及介电常数：
| 类别 | PP片 | 106 | 1080 | 3313 | 2116 | 7628 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tg≤170 | 理论实际厚度（mm） | 0.0513 | 0.0773 | 0.1034 | 0.1185 | 0.1951 |
| 介电常数 | 3.6 | 3.65 | 3.85 | 3.95 | 4.2 | |
| IT180AS1000-2 | 理论实际厚度（mm） | 0.0511 | 0.07727 | 0.0987 | 0.1174 | 0.1933 |
| 介电常数 | 3.9 | 3.95 | 4.15 | 4.25 | 4.5 |
对于Rogers板材，Rogers4350 0.1mm板材介电常数为3.36，其他Rogers4350板材介电常数为3.48.Rogers4003板材介电常数为3.38，Rogers4403半固化片介电常数为3.17。
每个多层板都是由芯板和半固化片通过压合而成的，计算层叠结构的时候通常要把芯板和PP片叠在一起，组成板子厚度，比如一个芯板+两张PP片叠加“芯片+106+2116”，那么他的理论厚度就是0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。但需注意以下几点：
- 一般不允许4张或4张以上PP叠放在一起，因为压合时泳衣产生滑板现象；
- 7628的PP一般不允许放在外层，因为7628表面比较粗糙，会影响板子外观；
- 3张1080也不允许放在外层，因为压合时也容易产生滑板现象；
- CORE一般选择大于0.11mm的，六层的一般2块芯板，8层得到三块芯板。
由于铜厚，理论厚度和实测厚度有一定误差，差额的计算如以下公式：
实测厚度 = 理论厚度 - 铜厚1（1-X1） - 铜厚2（1-X2）
其中：
- X表示残铜率，表层X取1，光板X取0；
- 电源地平面残铜率一般为取值70%，信号层残铜率一般取值为23%。
残铜率是指板平面上有铜的面积和整板面积之比。比如张没有加工的原材料残铜率就是100%，蚀刻成光板时就是0%。
3.4 计算实例
层叠要求：板厚：1.6mm；板材：FR-4；层数：6层；铜厚：内层1Oz，表层：0.5Oz。
根据板芯和PP片常见厚度参数组合，并根据叠层厚度要求可以堆叠如下层压结构：
由上图可以算出板子总厚度 = 0.01mm+0.018mm+0.112mm+0.035mm+0.102mm+0.035mm+0.9mm+0.035mm+0.102mm+0.035mm+0.112mm+0.018mm+0.01mm = 1.524mm。
打开Si9000软件，选择需要计算阻抗的阻抗模型，计算表层50欧姆单线阻抗线宽。根据压合层叠数据，填入相关数据，点击计算：
计算出走线宽度为8.3mil，这个是计算出比较粗的走线，有时候会基于走线难度准许阻抗存在一定的误差，所以可以根据计算得出的走线线宽来稍微调整，比如调整线宽为6.6mil，阻抗为56.65Ω：
告辞。