干货｜一起聊聊 PCB 的阻抗控制
没有阻抗控制的话，将引发相当大的信号反射和信号失真，导致设计失败。常见的信号，如PCI总线、PCI-E总线、USB、以太网、DDR内存、LVDS信号等，均需要进行阻抗控制。阻抗控制最终需要通过PCB设计实现，对PCB板工艺也提出更高要求，经过与PCB厂的沟通，并结合EDA软件的使用，按照信号完整性要求去控制走线的阻抗。
不同的走线方式都是可以通过计算得到对应的阻抗值。
微带线（microstrip line）
它由一根带状导线与地平面构成，中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的，则它的特性阻抗也是可控的，其精确度将在±5％之内。
带状线（stripline）
带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度，介质的介电常数，以及两层接地平面的距离都是可控的，则线的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之内。
多层板的结构
为了很好地对PCB进行阻抗控制，首先要了解PCB的结构：
通常我们所说的多层板是由芯板和半固化片互相层叠压合而成的，芯板是一种硬质的、有特定厚度的、两面包铜的板材，是构成印制板的基础材料。而半固化片构成所谓的浸润层，起到粘合芯板的作用，虽然也有一定的初始厚度，但是在压制过程中其厚度会发生一些变化。
通常多层板最外面的两个介质层都是浸润层，在这两层的外面使用单独的铜箔层作为外层铜箔。外层铜箔和内层铜箔的原始厚度规格，一般有0.5OZ、1OZ、2OZ（1OZ约为35um或1.4mil）三种，但经过一系列表面处理后，外层铜箔的最终厚度一般会增加将近1OZ左右。内层铜箔即为芯板两面的包铜，其最终厚度与原始厚度相差很小，但由于蚀刻的原因，一般会减少几个um。
多层板的最外层是阻焊层，就是我们常说的“绿油”，当然它也可以是黄色或者其它颜色。阻焊层的厚度一般不太容易准确确定，在表面无铜箔的区域比有铜箔的区域要稍厚一些，但因为缺少了铜箔的厚度，所以铜箔还是显得更突出，当我们用手指触摸印制板表面时就能感觉到。
当制作某一特定厚度的印制板时，一方面要求合理地选择各种材料的参数，另一方面，半固化片最终成型厚度也会比初始厚度小一些。下面是一个典型的6层
板叠层结构
PCB的参数
不同的印制板厂，PCB的参数会有细微的差异，通过与电路板厂技术支持的沟通，得到该厂的一些参数数据：
表层铜箔：可以使用的表层铜箔材料厚度有三种：12um、18um和35um。加工完成后的最终厚度大约是44um、50um和67um。
芯板：我们常用的板材是S1141A，标准的FR-4，两面包铜，可选用的规格可与厂家联系确定。
半固化片
规格(原始厚度)有7628(0.185mm)，2116(0.105mm)，1080(0.075mm)，3313(0.095mm )，实际压制完成后的厚度通常会比原始值小10-15um左右。同一个浸润层最多可以使用3个半固化片，而且3个半固化片的厚度不能都相同，最少可以只用一个半固化片，但有的厂家要求必须至少使用两个。如果半固化片的厚度不够，可以把芯板两面的铜箔蚀刻掉，再在两面用半固化片粘连，这样可以实现较厚的浸润层。
阻焊层：铜箔上面的阻焊层厚度C2≈8-10um，表面无铜箔区域的阻焊层厚度C1根据表面铜厚的不同而不同，当表面铜厚为45um时C1≈13-15um，当表面铜厚为70um时C1≈17-18um。
导线横截面：我们会以为导线的横截面是一个矩形，但实际上却是一个梯形。以TOP层为例，当铜箔厚度为1OZ时，梯形的上底边比下底边短1MIL。比如线宽5MIL，那么其上底边约4MIL，下底边5MIL。上下底边的差异和铜厚有关，下表是不同情况下梯形上下底的关系。
介电常数：半固化片的介电常数与厚度有关，下表为不同型号的半固化片厚度和介电常数参数：
板材的介电常数与其所用的树脂材料有关，FR4板材其介电常数为4.2—4.7，并且随着频率的增加会减小。
介质损耗因数：电介质材料在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗，通常以介质损耗因数tanδ表示。S1141A的典型值为0.015。
能确保加工的最小线宽和线距：4mil/4mil。
阻抗计算的工具简介：
当我们了解了多层板的结构并掌握了所需要的参数后，就可以通过EDA软件来计算阻抗。可以使用Allegro来计算，但这里向大家推荐另一个工具Polar SI9000，这是一个很好的计算特征阻抗的工具，现在很多印制板厂都在用这个软件。
无论是差分线还是单端线，当计算内层信号的特征阻抗时，你会发现Polar SI9000的计算结果与Allegro仅存在着微小的差距，这跟一些细节上的处理有关，比如说导线横截面的形状。但如果是计算表层信号的特征阻抗，我建议你选择Coated模型，而不是Surface模型，因为这类模型考虑了阻焊层的存在，所以结果会更准确。下图是用Polar SI9000计算在考虑阻焊层的情况下表层差分线阻抗的部分截图：
由于阻焊层的厚度不易控制，所以也可以根据板厂的建议，使用一个近似的办法：在Surface模型计算的结果上减去一个特定的值，建议差分阻抗减去8欧姆，单端阻抗减去2欧姆。
差分对走线的PCB要求
（1）确定走线模式、参数及阻抗计算。差分对走线分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式两种，通过合理设置参数，阻抗可利用相关阻抗计算软件(如POLAR-SI9000)计算也可利用阻抗计算公式计算。
（2）走平行等距线。确定走线线宽及间距，在走线时要严格按照计算出的线宽和间距，两线间距要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种： 一种为两条线走在同一线层(side-by-side)，另一种为两条线走在上下相两层(over-under)。一般尽量避免使用后者即层间差分信号， 因为在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间介质厚度， 会造成层间差分对的差分阻抗变化。困此建议尽量使用同层内的差分。
干货 PCB设计为何一般控制50欧姆阻抗？
做PCB设计过程中，在走线之前，一般我们会对自己要进行设计的项目进行叠层，根据厚度、基材、层数等信息进行计算阻抗，计算完后一般可得到如下图示内容。
图1 叠层信息图示
从上图可以看出，设计上面的单端网络一般都是50欧姆来管控，那很多人就会问，为什么要求按照50欧姆来管控而不是25欧姆或者80欧姆？
首先，默认选择用50欧姆，而且业内大家都接受这个值，一般来说，肯定是由某个公认的机构制订了某个标准，大家是按标准进行设计的。
电子技术有很大一部分是来源于军队，首先技术是使用于军用，慢慢的由军用转为民用。
在微波应用的初期，二次世界大战期间，阻抗的选择完全依赖于使用的需要，没有一个标准值。随着技术的进步，需要给出阻抗标准，以便在经济性和方便性上取得平衡。
在美国，最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的，51.5欧姆十分常见，但看到和用到的适配器、转换器又是50-51.5欧姆；为联合陆军和海军解决这些问题，一个名为JAN的组织成立了（后来的DESC组织），由MIL特别发展的，综合考虑后最终选择了50欧姆，由此相关的导管被制造出来，并由此转化为各种线缆的标准。
此时欧洲标准是60欧姆，不久以后，在象Hewlett-Packard这样在业界占统治地位的公司的影响下，欧洲人也被迫改变了，所以50欧姆最终成为业界的一个标准沿袭下来，也就变成约定俗成了，而和各种线缆连接的PCB，为了阻抗的匹配，最终也是按照50欧姆阻抗标准来要求了。
其次，一般标准的制定是会基于PCB生产工艺和设计性能、可行性的综合考量。
从PCB生产加工工艺角度出发，以现有的大部分PCB生产厂商的设备考虑，生产50欧姆阻抗的PCB是比较容易实现的。
从阻抗计算过程可知，过低的阻抗需要较宽的线宽以及薄介质或较大的介电常数，这对于目前高密板来说空间上比较难满足；过高的阻抗又需要较细的线宽及较厚的介质或较小的介电常数，不利于EMI及串扰的抑制，同时对于多层板及从量产的角度来讲加工的可靠性会比较差。
控制50欧姆阻抗在使用常用板材（FR4等）、常用芯板的环境下，生产常用的板厚的产品（如1mm、1.2mm等），可设计常见的线宽（4~10mil），这样板厂加工起来是非常方便的，对其加工使用的设备要求也不是很高。
从PCB设计方面考虑，50欧姆也是综合考虑之后选择。从PCB走线的性能来说，一般阻抗低比较好，对一个给定线宽的传输线，和平面距离越近，相应的EMI会减小，串扰也会因此减小。
但从信号全路径的角度看，还需要考虑最关键的一个因素，那就是芯片的驱动能力，在早期大多数芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线，而更高阻抗的传输线由于实现起来不便，所以折中采用50欧姆阻抗。
所以一般选择50欧姆作为常规时单端信号控制阻抗的默认值。
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