Gestione dell'Impedenza attraverso il Design dello Stackup del PCB con Piani di Riferimento

Il controllo dell'impedenza, la gestione dell'impedenza e il dielettrico controllato sono tre termini che vengono usati in modo intercambiabile e si riferiscono a diversi metodi per impostare l'impedenza vista dai segnali in un PCB. Strumenti di calcolo dell'impedenza, come gli strumenti online gratuiti e i tuoi programmi EDA, possono aiutarti a calcolare l'impedenza delle tracce e puoi ottenere un valore dell'impedenza molto vicino all'accuratezza. Tuttavia, il momento della verità arriva durante la produzione, e il design che crei dovrà essere prodotto in modo tale da raggiungere effettivamente l'impedenza target.

Ovviamente, nessun processo di fabbricazione è perfetto, e qualsiasi PCB che esce dalla linea di produzione avrà alcune variazioni nell'impedenza delle tracce, e le variazioni sono più evidenti a tassi di dati più elevati (cioè, bande di segnale più ampie). Inoltre, se l'impedenza non è specificata corrispondentemente a un vero stackup o ai dati dielettrici del materiale, il produttore dovrà modificare i tuoi dati di progettazione per garantire che l'obiettivo di impedenza sia raggiunto.

Controllo dell'Impedenza vs. Dielettrico Controllato

Progettare schede che richiedono una specifica impedenza, o multiple specifiche di impedenza, generalmente comporta due approcci: design con dielettrico controllato o design con impedenza controllata.

Alcuni progettisti (me compreso) utilizzano il termine impedenza controllata per riferirsi all'atto di calcolare l'impedenza delle tracce basandosi su uno stack di strati specificato. Finché sono noti la costante dielettrica e lo spessore, allora l'impedenza delle tracce può essere calcolata. Alcuni produttori di PCB si riferiscono a questo come design a "dielettrico controllato":

Il design a dielettrico controllato richiede che il progettista conosca la costante dielettrica per i laminati che supportano gli strati dove è richiesta una specifica di impedenza. In altre parole, il progettista deve conoscere il valore di Dk da uno stack standard o da un materiale disponibile in commercio, così come lo spessore dello strato. La posizione dei piani di riferimento (piani di massa) non deve essere specificata in uno stack standard.

Alcuni produttori forniscono calcolatori di impedenza che possono aiutarti a determinare le dimensioni corrette delle tracce richieste per un dato arrangiamento traccia/piano di massa e valore di impedenza richiesto. Tuttavia, questi calcolatori consentono essenzialmente un design a dielettrico controllato a patto che tu inserisca valori noti di Dk e spessore per i dielettrici.

L'altro approccio è l'impedenza controllata. In questo approccio, il progettista seleziona semplicemente la larghezza/distanza delle piste che desidera e l'impedenza che verrà raggiunta. Il produttore poi sceglie una combinazione di dielettrici e spessori di strati per raggiungere quel target, e testerà ciò su un coupon di prova.

Modificare l'arrangiamento dello stackup dei strati, lo spessore del dielettrico, lo spessore del prepreg e lo spessore del laminato cambia tutti l'impedenza percepita dai segnali sulla scheda. Come progettista, è sufficiente fornire una tabella di impedenza o una tabella di linee di trasmissione, così come un disegno dello stackup, nelle note di fabbricazione.

Ciò che i fabbricanti generalmente non faranno è iniziare a modificare le larghezze e gli spaziamenti delle tracce al fine di raggiungere obiettivi di impedenza. Possono fare cose come applicare lacrime e compensazioni dell'incisione come parte della loro revisione ingegneristica, ma questo livello di modifica è meglio eseguirlo nei vostri file CAD nativi, non nei dati Gerber. In generale, non invierete al produttore i vostri file di progettazione PCB nativi, quindi non entreranno nel progetto e non forniranno quel livello di modifica alle vostre tracce per voi. Nel caso in cui non possano raggiungere il vostro obiettivo con i loro set di materiali, rimanderanno indietro la scheda a voi per le modifiche.

Quanti Profili di Impedenza Unici per Strato?

Se sei un progettista e adotti l'approccio del dielettrico controllato, potresti essere tentato di calcolare più profili di impedenza per uno stesso strato. In generale, è preferibile utilizzare solo profili di impedenza unici su uno stesso strato. Ad esempio, i vostri profili di impedenza 50/100 (Ethernet, HDMI, ecc.) potrebbero essere combinati sullo stesso strato, ma non vorreste utilizzarli su un diverso strato dedicato a USB, DDR, ecc., poiché tutti questi hanno i loro profili di impedenza unici.

Un esempio è mostrato di seguito, dove diversi profili di impedenza unici sono dedicati a strati differenti. Mentre un profilo potrebbe applicarsi a più di un protocollo, la separazione utilizzata qui è fatta per profilo per uno strato dato. Se hai bisogno che il tuo produttore mescoli e abbini materiali per raggiungere il tuo obiettivo, allora dovrai specificare i valori di larghezza/distanza nel design e l'obiettivo di impedenza che intendi raggiungere.

• Scopri di più sullo specificare i requisiti di controllo dell'impedenza

Il motivo per fare ciò è che permette sia l'approccio con impedenza controllata sia quello con dielettrico controllato. Quando si adotta l'approccio con impedenza controllata, ciò consente al produttore di regolare solo i dati dielettrici per un singolo strato se necessario, e questo modificherà solo quei profili di impedenza target mantenendo inalterati tutti gli altri. Ad esempio, negli strati superiore e inferiore, il produttore può selezionare la costante dielettrica e lo spessore necessari per un obiettivo di impedenza specifico a patto che tu specifichi la larghezza/distanza della traccia e il valore di impedenza target.

Come preferisco approcciare il Design di Impedenza/Dielettrico Controllato

Dopo aver affrontato abbastanza progetti, ho trovato due approcci che generalmente funzionano molto bene per avvicinarsi a un design controllato per impedenza (o piuttosto dielettrico) per un sistema digitale ad alta velocità o un sistema RF:

• Seleziona materiali standard specifici, utilizza le informazioni dielettriche dal datasheet e verifica che il produttore abbia i materiali in stock prima di procedere.
• Ottieni informazioni sul materiale/datasheet, valori di impedenza e lo stackup associato dal tuo fabbricante; questo è generalmente specificato in uno stackup standard.

Quando ho il controllo su queste decisioni nella progettazione, preferisco seguire la prima strada perché tendo a lavorare con un gruppo limitato di materiali (Isola, ITEQ e Rogers) che sono disponibili presso i miei fabbricanti di PCB preferiti. Posso quindi utilizzare un creatore di stackup di strati (come Simbeor e il Layer Stack Manager in Altium Designer) per calcolare i profili di impedenza richiesti su ogni strato.

La seconda strada viene scelta quando qualsiasi materiale di base va bene, ma il design ha comunque bisogno di una specifica di impedenza. A quel punto, ho solo bisogno di conoscere un valore di Dk e gli spessori degli strati che appariranno nello stackup, e posso calcolare larghezze e spaziature per raggiungere la specifica di impedenza.

Ogni volta che hai bisogno di progettare un impilamento PCB con impedenza controllata, utilizza il miglior editor di stackup di strati del settore con un risolutore di campo elettromagnetico integrato in Altium Designer^®. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.