Gestion de l'impédance à travers la conception de l'empilement des PCB avec des plans de référence

Le contrôle d'impédance, la gestion de l'impédance et le diélectrique contrôlé sont trois termes qui sont interchangeables de manière lâche et qui se réfèrent à différentes méthodes pour définir l'impédance vue par les signaux dans un PCB. Les outils de calcul d'impédance, tels que les outils en ligne gratuits et vos programmes EDA, peuvent vous aider à calculer l'impédance des pistes et vous pouvez obtenir une valeur très précise pour l'impédance. Cependant, c'est lors de la fabrication que les choses se concrétisent, et le design que vous créez devra être produit de telle manière qu'il atteigne effectivement son impédance cible.

De toute évidence, aucun processus de fabrication n'est parfait, et tout PCB sortant de la ligne de production aura des variations dans l'impédance des pistes, et les variations sont plus apparentes à des débits de données plus élevés (c'est-à-dire, des largeurs de bande de signal plus larges). De plus, si l'impédance n'est pas spécifiée en correspondance avec un empilement réel ou des données diélectriques de matériaux, le fabricant devra modifier vos données de conception pour s'assurer que la cible d'impédance est atteinte.

Contrôle d'Impédance vs Diélectrique Contrôlé

Concevoir des cartes qui nécessitent une spécification d'impédance spécifique, ou plusieurs spécifications d'impédance, implique généralement deux approches : la conception de diélectrique contrôlé ou la conception d'impédance contrôlée.

Certains concepteurs (moi y compris) utiliseront le terme d'impédance contrôlée pour désigner l'acte de calculer l'impédance des pistes en fonction d'une pile de couches spécifiée. Tant que la constante diélectrique et l'épaisseur sont connues, alors l'impédance des pistes peut être calculée. Certains fabricants de PCB se référeront à cela comme une conception à « diélectrique contrôlé » :

La conception à diélectrique contrôlé exige que le concepteur connaisse la constante diélectrique pour les stratifiés qui supportent les couches où une spécification d'impédance est requise. En d'autres termes, le concepteur doit connaître la valeur Dk d'une pile standard ou d'un matériel disponible dans le commerce, ainsi que l'épaisseur de la couche. Le placement des plans de référence (plans de masse) n'a pas besoin d'être donné dans une pile standard.

Certains fabricants fournissent des calculateurs d'impédance qui peuvent vous aider à déterminer les bonnes dimensions de piste nécessaires pour un agencement piste/plan de masse donné et une valeur d'impédance requise. Cependant, ces calculateurs permettent essentiellement une conception à diélectrique contrôlé tant que vous entrez des valeurs Dk et d'épaisseur connues pour les diélectriques.

L'autre approche est l'impédance contrôlée. Dans cette approche, le concepteur choisit simplement la largeur/espacement des pistes qu'il souhaite et l'impédance qu'il atteindra. Le fabricant sélectionne alors un mélange de diélectriques et d'épaisseurs de couches pour atteindre cet objectif, et ils testeront cela sur un coupon de test.

Modifier l'arrangement du stackup de couches, l'épaisseur du diélectrique, l'épaisseur du prépreg et l'épaisseur du stratifié change tous l'impédance vue par les signaux sur la carte. En tant que concepteur, vous avez juste besoin de fournir un tableau d'impédance ou un tableau de ligne de transmission, ainsi qu'un dessin de stackup, dans vos notes de fabrication.

Ce que les fabricants ne feront généralement pas, c'est commencer à modifier les largeurs de pistes et les espacements afin d'atteindre des objectifs d'impédance. Ils peuvent appliquer des larmes et une compensation de gravure dans le cadre de leur examen technique, mais ce niveau de modification est mieux réalisé dans vos fichiers CAO natifs, et non dans les données Gerber. En général, vous n'envoyerez pas au fabricant vos fichiers de conception PCB natifs, donc ils n'entreront pas dans la conception pour apporter ce niveau de modification à vos pistes pour vous. Dans le cas où ils ne peuvent pas atteindre votre objectif avec leurs ensembles de matériaux, ils vous renverront la carte pour des modifications.

Combien de Profils d'Impédance Uniques Par Couche ?

Si vous êtes un concepteur et que vous adoptez l'approche diélectrique contrôlée, vous pourriez être tenté de calculer plusieurs profils d'impédance pour une seule couche. En général, il est préférable d'utiliser uniquement des profils d'impédance uniques sur une seule couche. Par exemple, vos profils d'impédance 50/100 (Ethernet, HDMI, etc.) pourraient être combinés sur la même couche, mais vous ne voudriez pas les utiliser sur une couche différente qui est dédiée à l'USB, DDR, etc., car ils ont tous leurs propres profils d'impédance uniques.

Un exemple est présenté ci-dessous, où différents profils d'impédance uniques sont dédiés à différentes couches. Alors qu'un profil pourrait s'appliquer à plus d'un protocole, la séparation utilisée ici est faite par profil pour une couche donnée. Si vous avez besoin que votre fabricant mélange et associe des matériaux pour atteindre votre cible, alors vous devrez spécifier les valeurs de largeur/espacement dans la conception et l'objectif d'impédance que vous souhaitez atteindre.

• En savoir plus sur la spécification des exigences de contrôle d'impédance

La raison de faire cela est que cela permet à la fois l'approche d'impédance contrôlée et l'approche diélectrique contrôlée. Lors de l'adoption de l'approche contrôlée par l'impédance, cela permet au fabricant d'ajuster uniquement les données diélectriques pour une seule couche si nécessaire, et cela ne modifiera que ces profils d'impédance cibles tout en maintenant tous les autres. Par exemple, dans les couches supérieure et inférieure, le fabricant peut sélectionner la constante diélectrique et l'épaisseur nécessaires pour une cible d'impédance spécifique tant que vous spécifiez la largeur/espacement des pistes et la valeur d'impédance cible.

Comment je préfère aborder la conception à impédance/diélectrique contrôlée

Après avoir traité suffisamment de conceptions, j'ai trouvé deux approches qui fonctionnent généralement très bien pour aborder une conception à impédance (ou plutôt diélectrique) contrôlée pour un système numérique haute vitesse ou un système RF:

• Sélectionnez des matériaux standards spécifiques, utilisez les informations diélectriques de la fiche technique et vérifiez que le fabricant dispose des matériaux avant de procéder.
• Obtenez les informations sur le matériel/la fiche technique, les valeurs d'impédance et l'empilement associé auprès de votre fabricant ; cela est généralement spécifié dans un empilement standard.

Lorsque j'ai le contrôle sur ces décisions dans la conception, je préfère emprunter la 1ère voie car je tends à travailler avec un groupe limité de matériaux (Isola, ITEQ et Rogers) qui sont stockés par mes fabricants de PCB préférés. Je peux alors utiliser un créateur d'empilement de couches (tel que Simbeor et le Gestionnaire de Pile de Couches dans Altium Designer) pour calculer les profils d'impédance requis sur chaque couche.

La 2ème voie est choisie lorsque n'importe quel matériel de base conviendra, mais la conception nécessite toujours une spécification d'impédance. À ce moment-là, j'ai juste besoin de connaître une valeur de Dk et les épaisseurs de couche qui apparaîtront dans l'empilement, et je peux calculer les largeurs et les espacements pour atteindre la spécification d'impédance.

Lorsque vous avez besoin de concevoir un empilement de PCB à impédance contrôlée, utilisez le meilleur éditeur de stackup de couches de l'industrie avec un solveur de champ électromagnétique intégré dans Altium Designer^®. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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