Impedanzmanagement durch PCB-Stackup-Design mit Referenzebenen

Impedanzkontrolle, Impedanzmanagement und kontrolliertes Dielektrikum sind drei Begriffe, die lose austauschbar sind und sich auf verschiedene Methoden beziehen, um die Impedanz festzulegen, die Signale auf einer PCB sehen. Impedanzberechnungswerkzeuge, wie kostenlose Online-Tools und Ihre EDA-Programme, können Ihnen helfen, die Spurenimpedanz zu berechnen, und Sie können einen sehr nahezu genauen Wert für die Impedanz erhalten. Allerdings kommt es bei der Herstellung darauf an, und das von Ihnen erstellte Design muss so produziert werden, dass es tatsächlich seine Zielimpedanz erreicht.

Offensichtlich ist kein Fertigungsprozess perfekt, und jede PCB, die von der Produktionslinie kommt, wird einige Variationen in der Spurenimpedanz aufweisen, und die Variationen sind bei höheren Datenraten (d.h. breiteren Signalbandbreiten) deutlicher sichtbar. Außerdem, wenn die Impedanz nicht entsprechend einem realen Stackup oder Materialdielektrikumsdaten spezifiziert ist, muss der Hersteller Ihre Designdaten ändern, um sicherzustellen, dass das Impedanzziel erreicht wird.

Impedanzkontrolle vs. Kontrolliertes Dielektrikum

Das Entwerfen von Platinen, die eine spezifische Impedanzspezifikation oder mehrere Impedanzspezifikationen erfordern, beinhaltet im Allgemeinen zwei Ansätze: Design mit kontrolliertem Dielektrikum oder Design mit kontrollierter Impedanz.

Einige Designer (mich eingeschlossen) verwenden den Begriff kontrollierte Impedanz, um den Vorgang der Berechnung der Leiterbahnenimpedanz basierend auf einem spezifizierten Lagenstapel zu bezeichnen. Solange die Dielektrizitätskonstante und die Dicke bekannt sind, kann die Impedanz der Leiterbahn berechnet werden. Einige PCB-Hersteller bezeichnen dies als „kontrolliertes Dielektrikum“-Design:

Ein kontrolliertes Dielektrikum-Design erfordert, dass der Designer die Dielektrizitätskonstante für die Laminate kennt, die Schichten unterstützen, bei denen eine Impedanzspezifikation erforderlich ist. Mit anderen Worten, der Designer muss den Dk-Wert aus einem Standard-Lagenstapel oder einem Material von der Stange kennen, sowie die Schichtdicke. Die Platzierung von Referenzebenen (Masseebenen) muss in einem Standard-Lagenstapel nicht angegeben werden.

Einige Hersteller bieten Impedanzrechner an, die Ihnen helfen können, die richtigen Leiterbahndimensionen für eine gegebene Leiterbahn-/Masseebenenanordnung und den erforderlichen Impedanzwert zu bestimmen. Diese Rechner ermöglichen jedoch im Grunde ein kontrolliertes Dielektrikum-Design, solange Sie bekannte Dk- und Dickenwerte für die Dielektrika eingeben.

Der andere Ansatz ist die kontrollierte Impedanz. Bei diesem Ansatz wählt der Designer einfach die gewünschte Leiterbahnbreite/-abstand und die Impedanz, die erreicht werden soll. Der Hersteller wählt dann eine Kombination aus Dielektrika und Schichtdicken aus, um dieses Ziel zu erreichen, und wird dies anhand eines Testcoupons überprüfen.

Die Modifikation der Anordnung des Lagenaufbaus, der Dielektrikdicken, der Prepreg-Dicken und der Laminatdicken verändert alle die Impedanz, die von Signalen auf der Platine gesehen wird. Als Designer müssen Sie lediglich eine Impedanztabelle oder eine Übertragungsleitungstabelle sowie eine Stapelzeichnung in Ihren Fertigungsunterlagen bereitstellen.

Was Hersteller im Allgemeinen nicht tun werden, ist die Breiten und Abstände von Leiterbahnen zu ändern, um Impedanzvorgaben zu erreichen. Sie können Maßnahmen wie das Anwenden von Tränen und Ätzkompensation als Teil ihrer technischen Überprüfung durchführen, aber diese Art der Modifikation sollte am besten in Ihren nativen CAD-Dateien vorgenommen werden, nicht in den Gerber-Daten. Im Allgemeinen werden Sie dem Hersteller Ihre nativen PCB-Design-Dateien nicht senden, sodass sie nicht in das Design eingreifen und diese Art von Modifikation an Ihren Leiterbahnen für Sie vornehmen werden. Für den Fall, dass sie Ihr Ziel mit ihren Materialien nicht erreichen können, werden sie das Board zur Modifikation an Sie zurücksenden.

Wie viele einzigartige Impedanzprofile pro Schicht?

Wenn Sie als Designer den kontrollierten Dielektrikum-Ansatz wählen, könnten Sie versucht sein, mehrere Impedanzprofile für eine einzelne Schicht zu berechnen. Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, auf einer einzelnen Schicht nur einzigartige Impedanzprofile zu verwenden. Zum Beispiel könnten Ihre 50/100 Impedanzprofile (Ethernet, HDMI usw.) auf derselben Schicht kombiniert werden, aber Sie würden diese nicht auf einer anderen Schicht verwenden wollen, die speziell für USB, DDR usw. vorgesehen ist, da diese alle ihre eigenen einzigartigen Impedanzprofile haben.

Ein Beispiel wird unten gezeigt, bei dem verschiedenen einzigartigen Impedanzprofilen unterschiedliche Schichten zugeordnet sind. Während ein Profil auf mehr als ein Protokoll anwendbar sein könnte, erfolgt die Trennung hier nach Profil für eine gegebene Schicht. Wenn Sie möchten, dass Ihr Hersteller Materialien mischt und anpasst, um Ihr Ziel zu erreichen, dann müssen Sie die Breite/Abstandswerte im Design und das Impedanzziel, das Sie erreichen möchten, angeben.

• Erfahren Sie mehr über die Angabe von Anforderungen an die Impedanzkontrolle

Der Grund für dieses Vorgehen ist, dass es sowohl den kontrollierten Impedanzansatz als auch den kontrollierten Dielektrikumsansatz ermöglicht. Wenn man den Impedanzkontrollansatz wählt, erlaubt dies dem Hersteller, nur die dielektrischen Daten für eine einzelne Schicht anzupassen, falls nötig, und dies wird nur jene Zielimpedanzprofile ändern, während alle anderen beibehalten werden. Zum Beispiel können der Hersteller in den oberen und unteren Schichten die Dielektrizitätskonstante und Dicke auswählen, die für ein spezifisches Impedanzziel benötigt werden, solange Sie die Leiterbahnbreite/-abstand und den Zielimpedanzwert angeben.

Wie ich den kontrollierten Impedanz/Dielektrikum-Designansatz bevorzuge

Nachdem ich mich mit genügend Entwürfen beschäftigt habe, habe ich zwei Ansätze gefunden, die im Allgemeinen sehr gut funktionieren, um einen Impedanz- (oder eher Dielektrikum-) kontrollierten Entwurf für ein Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem oder ein RF-System anzugehen:

• Wählen Sie spezifische Materialien aus dem Handel aus, verwenden Sie die dielektrischen Informationen aus dem Datenblatt und überprüfen Sie, ob der Hersteller die Materialien vorrätig hat, bevor Sie fortfahren.
• Beschaffen Sie Materialinformationen/Datenblatt, Impedanzwerte und den zugehörigen Stackup von Ihrem Fertiger; dies wird in der Regel in einem Standard-Stackup angegeben.

Wenn ich die Kontrolle über diese Entscheidungen im Design habe, bevorzuge ich den ersten Weg, da ich dazu neige, mit einer begrenzten Gruppe von Materialien (Isola, ITEQ und Rogers) zu arbeiten, die von meinen bevorzugten PCB-Fertigern vorrätig gehalten werden. Ich kann dann einen Schichtstapel-Ersteller (wie Simbeor und den Layer Stack Manager in Altium Designer) verwenden, um die erforderlichen Impedanzprofile auf jeder Schicht zu berechnen.

Der zweite Weg wird gewählt, wenn beliebige Grundmaterialien in Ordnung sind, das Design aber trotzdem eine Impedanzspezifikation benötigt. An diesem Punkt muss ich nur einen Dk-Wert und die Schichtdicken kennen, die im Stackup erscheinen werden, und ich kann Breiten und Abstände berechnen, um die Impedanzspezifikation zu erreichen.

Wann immer Sie ein PCB-Stackup mit kontrollierter Impedanz entwerfen müssen, verwenden Sie den branchenführenden Layer-Stackup-Editor mit integriertem elektromagnetischem Feldlöser in Altium Designer^®. Wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Plattform Altium 365^™ die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

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