【導讀】印制電路板上導線的特性阻抗是電路板設計的一個重要指標，特別是在高頻電路的PCB設計中，必須考慮導線的特性阻抗和器件或信號所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。本文重點討論阻抗控制和疊層設計的問題。
隨著 PCB 信號切換速度不斷增長，當今的 PCB 設計廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應于現代數字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線。
在實際情況中，需要在數字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時控制跡線阻抗。PCB 跡線的關鍵參數之一是其特性阻抗（即波沿信號傳輸線路傳送時電壓與電流的比值）。印制電路板上導線的特性阻抗是電路板設計的一個重要指標，特別是在高頻電路的PCB設計中，必須考慮導線的特性阻抗和器件或信號所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點討論阻抗控制和疊層設計的問題。
阻抗控制。
阻抗控制(eImpedance Controling)，線路板中的導體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導線寬度等不同因素，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導體，其阻抗值應控制在某一范圍之內，稱為“阻抗控制”。
PCB 跡線的阻抗將由其感應和電容性電感、電阻和電導系數確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有: 銅線的寬度、銅線的厚度、介質的介電常數、介質的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。
在實際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個導線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質組成。跡線和板層構成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結構，并且控制阻抗也可以采用各種方式來構建。但是，無論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結構和絕緣材料的電子特性決定：
信號跡線的寬度和厚度
跡線兩側的內核或預填材質的高度
跡線和板層的配置
內核和預填材質的絕緣常數
PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。
微帶線（Microstrip）：
微帶線是一根帶狀導線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數 Er 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。如下圖所示：
注意：在實際的PCB制造中，板廠通常會在PCB板的表面涂覆一層綠油，因此在實際的阻抗計算中，通常對于表面微帶線采用下圖所示的模型進行計算：
帶狀線（Stripline）：
帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導線，如下圖所示，H1和H2代表的電介質的介電常數可以不同。
上述兩個例子只是微帶線和帶狀線的一個典型示范，具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結構相關。
用于計算特性阻抗的等式需要復雜的數學計算，通常使用場求解方法，其中包括邊界元素分析在內，因此使用專門的阻抗計算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數：
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絕緣層的介電常數Er、走線寬度W1、W2（梯形）、走線厚度T和絕緣層厚度H。
對于W1、W2的說明：
此處的W=W1，W1=W2.
規則：W1=W-A
W—-設計線寬
A—–Etch loss (見上表)
走線上下寬度不一致的原因是：PCB板制造過程中是從上到下而腐蝕，因此腐蝕出來的線呈梯形。
走線厚度T與該層的銅厚有對應關系，具體如下：
銅厚
COPPER THICKNESS
Base copper thk For inner layer For outer layer
H OZ 0.6mil 1.8mil
1 OZ 1.2MIL 2.5MIL
2 OZ 2.4MIL 3.6MIL
綠油厚度：
*因綠油厚度對阻抗影響較小，故假定為定值0.5mil。
我們可以通過控制這幾個參數來達到阻抗控制的目的，下面以安維的底板PCB為例說明阻抗控制的步驟和SI9000的使用：
底板PCB的疊層為下圖所示：
第二層為地平面，第五層為電源平面，其余各層為信號層。
各層的層厚如下表所示：
Layer Name Type Material Thinkness Class
SURFACE AIR
TOP CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 3.800MIL
L2-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ PLANE
DIELECTRIC FR-4 5.910MIL
L3-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 33.O8MIL
L4-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 5.910MIL
L5-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ PLANE
DIELECTRIC FR-4 3.800MIL
BOTTOM CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTING
SURFACE AIR
說明：中間各層間的電介質為FR-4，其介電常數為4.2；頂層和底層為裸層，直接與空氣接觸，空氣的介電常數為1。
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需要進行阻抗控制的信號為：
DDR的數據線，單端阻抗為50歐姆，走線層為TOP和L2、L3層，走線寬度為5mil。
時鐘信號CLK和USB數據線，差分阻抗控制在100歐姆，走線層為L2、L3層，走線寬度為6mil，走線間距為6mil。
對于計算精度的說明:
1、對于單端阻抗控制，計算值等于客戶要求值；
2、對于其他特性阻抗控制：
對于其它所有的阻抗設計(包括差別和特性阻抗)
*計算值與名義值差別應小于的阻抗范圍的10%：
例如：客戶要求：60+/-10%ohm
阻抗范圍=上限66-下限54=12ohms
阻抗范圍的10%=12X10%=1.2ohms
計算值必須在紅框范圍內。其余情況類推。
下面利用SI9000計算是否達到阻抗控制的要求：
首先計算DDR數據線的單端阻抗控制：
TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數為4.2。選擇模型，代入參數，選擇lossless calculation,如圖所示：
計算得到單端阻抗為Zo=55.08ohm，與要求相差5歐姆。根據板廠的反饋，他們將走線寬度改為6MIL以達到阻抗控制，經過驗證，在寬度W2=6MIL,W1=7MIL的情況下，計算得到的單端阻抗為Zo=50.56歐姆，符合設計要求。
L2層：在L2層的走線模型如下圖所示：
代入參數進行計算得到如下圖所示：
計算得到單端阻抗為Zo=50.59歐姆，符合設計要求。
同理可以得到L3層的單端阻抗，在此不再贅述。
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下面計算差分阻抗控制：
由PCB設計可知，底板PCB中時鐘走線在L3層，USB數據線在L2層，走線寬度均為6MIL,間距為6MIL。
時鐘信號選擇的模型如下所示：
按照提供給板廠的數據計算得到的結果如下圖所示：
根據板廠的反饋，差分阻抗只能做到85歐姆，與計算結果接近（他們可以微調板層厚度，但不能調線）。但是改變線間距為12MIL時，計算得到的差分阻抗為92.97歐姆，再將線寬調為5MIL時，差分阻抗為98.99歐姆，基本符合設計要求。
經驗小結
1、當差分走線在中間信號層走線時，差分阻抗的控制比較困難，因為精度不夠，就是說改變介質層厚度對差分阻抗的影響不大，只有改變走線的間距才對差分阻抗影響較大。但是當走線在頂層或底層時，差分阻抗就比較好控制，很容易達到設計要求，通過實際計算發現，重要的信號線最好走表層，容易進行阻抗控制，尤其是時鐘信號差分對。
2、在PCB設計之前，首先必須通過阻抗計算，把PCB的疊層參數確定，如各層的銅厚，介質層的厚度等等，還有差分走線的寬度和間距都需要事先計算得出，這些就是PCB的前端仿真，保證重要的信號線的阻抗控制滿足設計要求。
3、關于介電常數Er的問題：
以我們使用最多的FR-4介質的材料板為例：實際多層板是芯板和壓合樹脂層堆疊而成，其芯板本身也是由半固化片組合而成。常用的三種半固化片技術指標如下表1 所示。
半固化片組合的介電常數不是簡單的算術平均，甚至在構成微帶線和帶狀線時的Er值也有所不同。另一方面，FR-4的Er也隨信號頻率的變化有一定改變，不過在1GHz 以下一般認為FR-4 材料的Er 值約4.2。通常計算時采用4.2。
4、在實際的阻抗控制中，一般采用介質為FR-4，其Er約4.2，線條厚度t對阻抗影響較小，實際主要可以調整的是H和W，W(設計線寬)一般情況下是 由設計人員決定的，但在設計時應充分考慮線寬對阻抗的配合性和實際加工精度。當然，采用較小的W 值后線條厚度t 的影響就不容忽視了。H(介質層厚度)對阻抗控制的影響最大，實際H 有兩類情況：一種是芯板，材料供應商所提供的板材中H的厚度也是由以上三種半固化片組合而成，但其在組合的過程中必然會考慮三種材料的特性，而絕非無條件 的任意組合，因此板材的厚度就有了一定的規定，形成了一個相應的清單，同時H 也有了一定的限制。如0.17mm 1/1的芯板為 2116 ×1，0.4mm 1/1的芯板為1080×2+7628×1等。另一種是多層板中壓合部分的厚度：其方法基本上與前相同但需注意銅層的損失。如內電層間用半固化片進行填 充，因在制作內層的過程中銅箔被蝕刻掉的部分很少，則半固化片中樹脂對該區的填充亦很少，則半固化片的厚度損失可忽略。反之，如信號層之間用半固化片進行 填充，由于銅箔被蝕刻掉的部分較多，則半固化片的厚度損失會很大且難以估計。因此，有人建議在內層的信號層要求鋪銅以減少厚度損失。
5、特征阻抗與傳輸線的寬度是成反比的,寬度越寬，阻抗越低,反之則阻抗更高。
6、在有些板的設計要求中對板層厚度有限制時，此時要達到比較好的阻抗控制，采用好的疊層設計非常關鍵。從實際的計算中可以得出以下結論：
a. 每個信號層都要有參考平面相鄰, 能保證其阻抗和信號質量;
b. 每個電源層都要有完整的地平面相鄰, 使得電源的性能得以較好的保證;
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7、關于差分走線的線寬和間距對阻抗控制的討論：
通過軟件計算發現，改變差分對的間距對阻抗控制的影響較大，但是這里涉及到另一個問題，就是差分對的耦合問題。
差分對耦合的主要目的是增強對外界的抗干擾能力和抑止EMI。耦合分為緊耦合方式( 即差分對線間距小于或等于線寬) 和松耦合方式。
如果能保證周圍所有的走線離差分對較遠（比如遠遠大于3 倍的線寬），那么差分走線可以不用保證緊密的耦合，最關鍵的是保證走線長度相等即可。（可以參見Johnson 的信號完整性網站上的關于差分走線的闡述，他就要求他的layout 工程師將差分線離得較遠，這樣可以方面繞線）。只是目前大多數多層高速的PCB 板走線空間很緊密，根本無法將差分走線和其它走線隔離開來，所以這時候保持緊密的耦合以增加抗干擾能力是應該的。
緊耦合不是差分走線的必要條件，但是在空間不夠時走線采用緊耦合方式能夠增強差分走線的抗干擾能力。因此，對于差分對的阻抗控制問題，怎么調節各個參數需要綜合考慮上述因素，擇優選擇。一般情況下不輕易調整差分對的間距和線寬。
延伸：差分對走線的PCB要求
（1）確定走線模式、參數及阻抗計算。差分對走線分外層微帶線差分模式和內層帶狀線差分模式兩種，通過合理設置參數，阻抗可利用相關阻抗計算軟件(如POLAR-SI9000)計算也可利用阻抗計算公式計算。
（2）走平行等距線。確定走線線寬及間距，在走線時要嚴格按照計算出的線寬和間距，兩線間距要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種： 一種為兩條線走在同一線層(side-by-side)，另一種為兩條線走在上下相兩層(over-under)。一般盡量避免使用后者即層間差分信號， 因為在PCB板的實際加工過程中，由于層疊之間的層壓對準精度大大低于同層蝕刻精度，以及層壓過程中的介質流失，不能保證差分線的間距等于層間介質厚度， 會造成層間差分對的差分阻抗變化。困此建議盡量使用同層內的差分。
（3）.緊耦合原則。
在計算線寬和間距時最好遵守緊耦合的原則，也就是差分對線間距小于或等于線寬。當兩條差分信號線距離很近時，電流傳輸方向相反，其磁場相互抵消，電場相互耦合，電磁輻射也要小得多。
（4）.走短線、直線。
為確保信號的質量，差分對走線應該盡可能地短而直，減少布線中的過孔數，避免差分對布線太長，出現太多的拐彎，拐彎處盡量用45°或弧線，避免90°拐彎。
（5）.不同差分線對間處理。
差分對對走線方式的選擇沒有限制，微帶線和帶狀線均可，但是必須注意要有良好的參考平面。對不同差分線之間的間距要求間隔不能太小，至少應大于3～5倍差分線間距。必要時在不同差分線對之間加地孔隔離以防止相互問的串擾。
（6）.遠離其它信號。
對差分對信號和其它信號比如TTL信號，最好使用不同的走線層，如果因為設計限制必須使用同一層走線，差分對和TTL的距離應該足夠遠，至少應該大于3~5倍差分線間距。
（7）.差分信號不可以跨平面分割。
盡管兩根差分信號互為回流路徑，跨分割不會割斷信號的回流，但是跨分割部分的傳輸線會因為缺少參考平面而導致阻抗的不連續(如圖箭頭處所示，其中GND1、GND2為LVDS相鄰的地平面)。
8、PADS LAYOUT中層定義選項卡各個參數的解釋說明：
coating表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在thickness 中填0,dielectric（介電常數）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質層，一般采用FR-4，厚度是通過阻抗計算軟件計算得到，介電常數為4.2（頻率小于1GHz時）。
點擊Weight(oz)項，可以設定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質材料，由玻璃纖維和環氧樹脂組成，core其實也是PP類型介質，只不過他的兩面都覆有銅箔，而PP沒有，制作多層板時，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。
10、PCB疊層設計中的注意事項：
(1)、翹曲問題
PCB的疊層設計要保持對稱，即各層的介質層厚、鋪銅厚度上下對稱，拿六層板來說，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時候不會出現翹曲。
（2）、信號層應該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號層和鄰近敷銅層之間的介質厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應該緊密耦合。
（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。
（4）、典型的疊層設計層分布如下表所示：
（5）、層的排布一般原則：
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號層直接相鄰；
主電源盡可能與其對應地相鄰；
兼顧層壓結構對稱。
對于母板的層排布，現有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ 以上的（50MHZ 以下的情況可參照，適當放寬），建議排布原則：
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
無相鄰平行布線層；
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
關鍵信號與地層相鄰，不跨分割區。
