PCB Stack设计.docx
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PCBStack设计
PCBStack设计
作者:
luqiliang日期:
2010-3-23:
13:
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在高速数字电路设计流程中，第一步需要做的就是根据系统的复杂程度，成本因素等相关方面决定印制电路板（PCB）的叠层结构（Stack），而在PCBstack设计的过程中，特征阻抗也是一个重点关注的问题。
1叠层结构的选择
电路板的叠层结构分为2层，4层，6层，8层，10层等等。
目前常用的用于主板设计的主要有4层与6层，至于8层。
而对于更为复杂的系统，像小面积的Add-in Card，大型通信设备中的某一模块，像SDH，Multi-serveRouter，这些设备常用12层甚至是更多层。
本文主要的出发点就是以较为简单的例子，介绍PCB叠层设计中的参数问题。
1.14层电路板
对于4层电路板，这是市场上最常用的一种叠层结构，它的结构无外乎下面几种方案，如图1，具体取决于哪种方案最好，主要是看布线层面的选择，参考平面的选择以及EMC/EMI的考虑。
这里把signal层放在内层有利于屏蔽辐射，便于EMC的设计，但不利于系统的Debug。
常用的方案是04A。
图1
1.26层电路板
对于6层版，叠层结构的选择性较多，如图2。
图2
最常用的叠层结构主要是06A，06G，06K。
06A有四层布线层，便于布线。
06G有两个GND，这样的话Top与Bottom层参考平面都是GND，是一种很好的选择。
对于06K，这样做，主要是3个信号层布线有点紧张，让第四层作为备用的信号层，最后不用的地方都铺上铜箔，即确切的说，该种叠层结构的layer4是signal/GND。
对于其他的叠层结构，像10层，18层，这里不多介绍，下图以便参考。
2特征阻抗的计算
设计完叠层结构，具体的就要设计各个叠层的厚度了，这里主要的切入点就是特征阻抗，电源平面和地平面的目标阻抗了。
对特征阻抗的理解可以类似于软水管，特征阻抗类似软水管对水流的阻力，电流类似于水流，走线与参考平面的距离类似于软水管与地平面的距离——可想象为体现在压强方面。
2.1影响特征阻抗因素
影响特征阻抗的因素很多，主要体现在下面几个方面：
<1>介电质常数,与阻抗值成反比[Er值愈高,Z0值愈低]
<2>线路层与接地层间介电层厚度,与阻抗值成正比,参考基板及PP之压合厚度，[介层愈厚,Z0值愈高]，介电层厚度类比于软水管离地平面的高度，介电层厚度越大，表示离地平面越高，从而导致水流变缓，好比软水管对水的阻力变大，从而特征阻抗变大。
<3>线宽,与阻抗成反比[线宽愈细,Z0值愈高]，线宽越细，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。
<4>铜厚,与阻抗值成反比[铜愈厚,Z0值愈低]，铜厚变小，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。
=>一般来说，内层为基板铜厚,厂内1OZ=1.2mil~1.4mil,外层为基板铜箔厚度+镀铜厚度
<5>差动阻抗相邻线路与线路之间的间距,与阻抗值成正比[Spacing愈小,Z0值愈低]，这个很好理解，间距变小，表示耦合越好，从而软水管对水流的阻力越小，特征阻抗变小。
<6>线路层与线路层间介电层厚度,与阻抗值成反比。
<7>防焊漆厚度,与阻抗值成反比[绿漆愈厚,Z0值愈低]，绿漆可以类比于堤坝对水流的保护作用，绿漆越厚，堤坝越厚，表示对水流的保护作用越好，水流都不会丢失，从而水流越大，对水流的阻碍越小，特征阻抗越低。
2.2Microstrip单端阻抗模型
下图是表示微带线（Microstrip）的单端阻抗计算方法：
<1>SurfaceMicrostrip
适用范围：
外层防焊前阻抗计算
参数
说明
H
外层到VCC/GND间介电质厚度
W2
阻抗线上缘线宽
W1
阻抗线下缘线宽
T1
阻抗线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚
<2>CoatedMicrostrip
适用范围：
外层防焊后阻抗计算
参数
说明
H1
外层到相邻VCC/GND间介电质厚度
C1/C2
覆盖线路绿漆厚度
W2
阻抗线上缘线宽
W1
阻抗线下缘线宽
T1
阻抗线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚
图3
2.3Microstrip差分阻抗模型
下图表示微带线的差分阻抗计算方法：
（带状线计算方法后面章节会介绍）
<1>Edge-coupledSurfaceMicrostrip
适用范围：
外层防焊前差动阻抗计算
参数
说明
H1
外层到VCC/GND介电质厚度
W2
阻抗线上缘线宽
W1
阻抗线下缘线宽
S1
相邻两根阻抗线间距
T1
线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚
<2>Edge-coupledCoatedMicrostrip
适用范围：
外层防焊后差动阻抗计算
参数
说明
H1
外层到相邻VCC/GND介质厚度
C1/C2
覆盖线路绿漆厚度
W2
阻抗线上缘线宽
W1
阻抗线下缘线宽
S1
相邻两根阻抗线间距
T1
线铜厚=基板铜厚+电镀铜厚
图4
说明：
<1>关于铜厚T：
内层，1oz=1.2mil~1.4mil左右，需要向PCB版厂确认，一般取为1.4mil。
外层，厚度应该为基铜的厚度+镀层厚度
<2>关于线宽：
内层0.5oz上幅=下幅–0.5mil,1oz/经电镀上幅=下幅–0.8mil。
外层，上幅=下幅*（85-90%）
<3>防焊层厚度：
一般最小是0.4mil。
单端阻抗：
防焊前后约差7ohms,标示下限+4mil上限+2mil。
对于差动阻抗：
防焊前后约差14ohms,标示下限+10mil上限+4mil。
一般的PP型号与厚度是（仅供参考）：
型号---resintoglassratio---厚度
1080:
62%2.5MIL
65%2.7MIL
68%3.0MIL
2116:
50%4.1MIL
54%4.6MIL
58%5.0MIL
7628:
43%7.1MIL
47%7.5MIL
50%7.9MIL
1056:
48%6.0MIL
对于Pre-Preg推荐使用2116，Core推荐使用7628，这是根据lql-008（个人编号）关于Stackup描述而来的，读者可参阅该篇文档关于PCB的细节。
2.4Strip单端阻抗模型
这个模型可参阅图12。
2.5Strip差分阻抗模型
这个模型可参阅图13。
3．阻抗计算实例说明
传输线阻抗是从电报方程推导出来（具体可以查询微波理论），当电压电流在传输线传播的时候,如果特性阻抗不一致所求出的电报方程的解不一致,就造成所谓的反射现象等等.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。
本节的内容可以参阅资料reference-0002-阻抗计算说明.pdf
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