Nella moderna progettazione dei prodotti elettronici, il controllo dell'impedenza gioca un ruolo cruciale. Il controllo dell'impedenza PCB coinvolge indicatori chiave di prestazione come stabilità della trasmissione del segnale, capacità anti-interferenza e consumo energetico. Successivamente, esploriamo le conoscenze rilevanti sul controllo dell'impedenza.

Cos'è l'adattamento dell'impedenza?

L'adattamento dell'impedenza viene utilizzato principalmente nelle linee di trasmissione per garantire che tutti alta frequenza i segnali a microonde vengono trasmessi al punto di carico senza alcuna riflessione del segnale verso la sorgente. Ciò garantisce che le estremità di ingresso e di uscita della linea di trasmissione siano in uno stato di impedenza adattata, comunemente denominato adattamento di impedenza.

Perché è necessario l'adattamento dell'impedenza?

Nella progettazione di PCB a bassa velocità, l'adattamento dell'impedenza non è sempre necessario. Tuttavia, nella progettazione di PCB ad alta velocità, per ottenere una trasmissione del segnale completa, affidabile, precisa e priva di interferenze, è essenziale garantire che le prestazioni del circuito fornite dal circuito stampato garantiscano che non si verifichi alcuna riflessione del segnale durante la trasmissione. L'adattamento dell'impedenza garantisce l'integrità del segnale e una bassa perdita di trasmissione. Se i segnali critici non raggiungono l'adattamento dell'impedenza, ciò potrebbe causare riflessione, rimbalzo e perdita del segnale. Ciò può distorcere le forme d'onda del segnale originariamente buone, influenzando direttamente le prestazioni del circuito e persino la funzionalità.

Quali linee richiedono in genere il controllo dell'impedenza e quanta impedenza è necessaria?

Come abbiamo appreso in precedenza, non tutte le linee richiedono l'adattamento dell'impedenza; solo le nostre linee ad alta velocità necessitano di impedenza controllata. Segnali diversi hanno valori di impedenza diversi. I valori comuni per l'impedenza differenziale includono 90Ω, 100Ω e 120Ω. Generalmente, USB 2.0 richiede il controllo dell'impedenza a 90 Ω, mentre HDMI, USB 3.0, MIPI, Fast Ethernet e Gigabit Ethernet richiedono un'impedenza di 100 Ω. RS422 richiede in genere un'impedenza di 120 Ω e le linee single-ended generalmente richiedono un'impedenza di 50 Ω.

Cos'è il controllo dell'impedenza?

A causa dello spessore del circuito stampato e della larghezza della pista, anche il valore del controllo dell'impedenza è diverso. Per i conduttori su un circuito ad alta velocità, il loro valore di impedenza è controllato in un intervallo specifico, chiamato "controllo dell'impedenza".

Fattori che influenzano l'impedenza

Quando un parametro varia mantenendo costanti le altre condizioni, i fattori che influenzano l'impedenza sono i seguenti:

• Larghezza della traccia: la larghezza della traccia è inversamente proporzionale all'impedenza. Le larghezze di traccia più sottili hanno un'impedenza maggiore, mentre le larghezze di traccia più ampie hanno un'impedenza inferiore. Il controllo della larghezza della traccia entro una tolleranza di +/- 10% è necessario per un migliore controllo dell'impedenza. Le lacune nelle tracce del segnale influiscono sull'intera forma d'onda del test e la sua impedenza a punto singolo è troppo elevata, rendendo l'intera forma d'onda irregolare. Le linee di impedenza non devono essere collegate e qualsiasi intervallo nella traccia del segnale non deve superare il 10%. La larghezza della traccia è controllata principalmente attraverso processi di incisione. Per garantire la precisione della larghezza della traccia, viene eseguita una compensazione ingegneristica sulle fotomaschere in base al sottosquadro di incisione, agli errori litografici e agli errori di trasferimento del modello.
• Spessore dielettrico: lo spessore dielettrico è direttamente proporzionale all'impedenza. Più spesso è il dielettrico, maggiore è l'impedenza. Diversi fogli semistagionati hanno contenuto e spessore di resina variabili. Lo spessore finale dopo la laminazione dipende dalla planarità della pressa e dalla procedura della piastra di pressatura. Per qualsiasi tipo di materiale della scheda, la progettazione tecnica, il controllo della piastra di pressatura e le tolleranze del materiale in entrata sono essenziali per ottenere lo spessore consentito dello strato dielettrico.
• Costante dielettrica: La costante dielettrica è inversamente proporzionale all'impedenza. Una costante dielettrica più elevata comporta un'impedenza inferiore. La costante dielettrica è controllata principalmente attraverso la selezione del materiale. I diversi materiali della scheda hanno costanti dielettriche distinte, correlate ai materiali in resina utilizzati. Ad esempio, i materiali delle schede FR4 hanno costanti dielettriche che vanno da 3.9 a 4.5, diminuendo con l'aumentare della frequenza. I materiali del pannello in PTFE hanno costanti dielettriche che vanno da 2.2 a 3.9. La trasmissione del segnale ad alta velocità richiede valori di impedenza più elevati, necessitando quindi di costanti dielettriche inferiori.
• Spessore del rame: lo spessore della lamina di rame è inversamente proporzionale all'impedenza. Più spesso è il rame, minore è l'impedenza. Lo spessore del rame può essere controllato mediante galvanica o selezionando la lamina di rame del materiale di base con lo spessore appropriato.
• Spessore della maschera di saldatura: lo spessore della maschera di saldatura è inversamente proporzionale all'impedenza. Entro un certo intervallo, più spessa è la maschera saldante, minore è l'impedenza. In genere, la stampa di un passaggio della maschera di saldatura riduce l'impedenza single-ended di 2 ohm e l'impedenza differenziale di 8 ohm. Il valore di riduzione raddoppia quando si stampano due passaggi rispetto a un passaggio. Dopo aver stampato tre volte o più, il valore dell'impedenza non cambia più.

Ottima progettazione e controllo dell'impedenza PCB

(campionamento solo con impedenza differenziale di 100 Ω)

• Stack di progettazione. Loro dentro. lo spessore dielettrico tra gli strati dovrebbe essere 50um.

• Progettare la larghezza del circuito e la larghezza dello spazio. Secondo la traccia del circuito di progettazione del calcolo della simulazione.

la larghezza della traccia/spazio per lo stackup 1# è 70/130um;

la larghezza della traccia/spazio per lo stackup 2# è 95/140um;

la larghezza della traccia/spazio per lo stackup 3# è 125/130um;

la larghezza della traccia/spazio per lo stackup 4# è 105/150um.

• Determinare i parametri di processo mediante l'ispezione del primo articolo, controllare i parametri di processo.
• Controllo casuale dell'impedenza nella produzione e controllo casuale del prodotto finito.

Considerazioni sui calcoli dell'impedenza

• Scegli una larghezza della traccia più ampia, non più stretta.

Esiste un limite a quanto possono essere strette le tracce nel processo di fabbricazione, mentre non esiste alcun limite a quanto possono essere larghe. Se, durante la fabbricazione, il produttore del PCB deve ridurre la larghezza della traccia per ottenere un'impedenza specifica e raggiunge il limite ristretto, ciò può portare a complicazioni. Ciò potrebbe comportare un aumento dei costi, un controllo dell'impedenza più rilassato o modifiche alla progettazione. Pertanto, durante il calcolo, puntare ad una larghezza di traccia relativamente più ampia significa un'impedenza target leggermente inferiore, ad esempio, se l'impedenza target è 50 ohm, dovremmo puntare a circa 49 ohm, evitando calcoli vicini a 51 ohm.

• Tendenze generali nel controllo dell'impedenza.

Il nostro progetto può avere più obiettivi di controllo dell'impedenza, sia verso valori più grandi che verso valori più piccoli. Evitare i casi in cui, ad esempio, i 100 ohm tendono verso valori più grandi e i 90 ohm verso valori più piccoli.

• Considerare il bilancio del rame e il flusso della resina.

Quando uno o entrambi i lati dei fogli semi-induriti presentano tracce incise, durante il processo di laminazione, la resina riempirà gli spazi lasciati dalle tracce incise, con conseguente riduzione dello spessore della resina tra gli strati. Più basso è il bilancio del rame, maggiore sarà la quantità di resina aggiunta, lasciandone meno rimanente. Pertanto, se è necessario uno spessore della lastra semi-indurente di 5 mil tra due strati, scegliere un foglio semi-indurente leggermente più spesso in base al bilancio del rame.

• Specificare il tipo di tessuto di vetro e il contenuto di resina.

Diversi tessuti di vetro e contenuti di resina nei fogli semi-induriti o nei materiali del nucleo portano a coefficienti di nodo diversi. Anche con circa la stessa altezza possono esserci differenze tra 3.5 e 4, che possono causare una variazione di circa 3 ohm nell'impedenza di linea singola. Inoltre, l’effetto vetro e la dimensione delle aperture del tessuto di vetro sono strettamente correlati. Se stai progettando per velocità di 10 Gbps o superiori e il tuo stack-up non specifica i materiali e il produttore del PCB utilizza materiale 1080 a foglio singolo, ciò potrebbe portare a problemi di integrità del segnale.

• Comunicare con il produttore del PCB.

A volte potrebbero verificarsi errori di calcolo nel bilancio del rame e nel flusso della resina e la costante dielettrica dei nuovi materiali potrebbe non corrispondere ai valori nominali. Alcuni produttori di PCB potrebbero non avere in stock il tessuto di vetro richiesto, con conseguenti difficoltà nell'implementazione dell'accumulo o ritardi. Quando si incontrano tali situazioni, l'approccio migliore è comunicare con il produttore del PCB fin dall'inizio della progettazione, chiedendogli di progettare uno stack-up in base ai requisiti del progettista e alla propria esperienza. Attraverso molteplici cicli di comunicazione e conferma, è possibile ottenere uno stack-up ideale con poche iterazioni, il che faciliterà il successivo processo di progettazione.

Benvenuto nel nostro strumento di calcolo dell'impedenza. Per accogliere più tipi di design, lo aggiorneremo in futuro.