PCB stack设计之特征阻抗

在高速数字电路设计流程中，第一步需要做的就是根据系统的复杂程度，成本因素等相关方面决定印制电路板（PCB）的叠层结构（Stack），而在PCB stack设计的过程中，特征阻抗也是一个重点关注的问题。

1 叠层结构的选择

电路板的叠层结构分为2层，4层，6层，8层，10层等等。目前常用的用于主板设计的主要有4层与6层，至于8层。而对于更为复杂的系统，像小面积的Add-in Card，大型通信设备中的某一模块，像SDH，Multi-serve Router，这些设备常用12层甚至是更多层。本文主要的出发点就是以较为简单的例子，介绍PCB叠层设计中的参数问题。

1.1 4层电路板

对于4层电路板，这是市场上最常用的一种叠层结构，它的结构无外乎下面几种方案，如图1，具体取决于哪种方案最好，主要是看布线层面的选择，参考平面的选择以及EMC/EMI的考虑。这里把signal层放在内层有利于屏蔽辐射，便于EMC的设计，但不利于系统的Debug。常用的方案是04A。

最常用的叠层结构主要是06A，06G，06K。06A有四层布线层，便于布线。06G有两个GND，这样的话Top与Bottom层参考平面都是GND，是一种很好的选择。对于06K，这样做，主要是3个信号层布线有点紧张，让第四层作为备用的信号层，最后不用的地方都铺上铜箔，即确切的说，该种叠层结构的layer4是signal/GND。对于其他的叠层结构，像10层，18层，这里不多介绍，下图以便参考。

2 特征阻抗的计算

设计完叠层结构，具体的就要设计各个叠层的厚度了，这里主要的切入点就是特征阻抗，电源平面和地平面的目标阻抗了。

对特征阻抗的理解可以类似于软水管，特征阻抗类似软水管对水流的阻力，电流类似于水流，走线与参考平面的距离类似于软水管与地平面的距离——可想象为体现在压强方面。

2.1 影响特征阻抗因素

影响特征阻抗的因素很多，主要体现在下面几个方面：

介电质常数，与阻抗值成反比 ［Er值愈高 ， Z0值愈低］

线路层与接地层间介电层厚度，与阻抗值成正比，参考基板及PP之压合厚度，［介层愈厚 ， Z0值愈高］，介电层厚度类比于软水管离地平面的高度，介电层厚度越大，表示离地平面越高，从而导致水流变缓，好比软水管对水的阻力变大，从而特征阻抗变大。

线宽，与阻抗成反比 ［线宽愈细 ， Z0值愈高］，线宽越细，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。

铜厚，与阻抗值成反比 ［铜愈厚 ， Z0值愈低］，铜厚变小，表示软水管截面积变小，对水流的阻力变大，从而水利变小，特征阻抗变大。

=》一般来说，内层为基板铜厚，厂内1OZ=1.2 mil~1.4mil，外层为基板铜箔厚度+镀铜厚度

差动阻抗相邻线路与线路之间的间距，与阻抗值成正比 ［Spacing愈小 ， Z0值愈低］，这个很好理解，间距变小，表示耦合越好，从而软水管对水流的阻力越小，特征阻抗变小。

线路层与线路层间介电层厚度，与阻抗值成反比。

防焊漆厚度，与阻抗值成反比［绿漆愈厚 ， Z0值愈低］，绿漆可以类比于堤坝对水流的保护作用，绿漆越厚，堤坝越厚，表示对水流的保护作用越好，水流都不会丢失，从而水流越大，对水流的阻碍越小，特征阻抗越低。

2.2 Microstrip单端阻抗模型

下图是表示微带线（Microstrip）的单端阻抗计算方法：

Surface Microstrip

2.3 Microstrip差分阻抗模型

下图表示微带线的差分阻抗计算方法：（带状线计算方法后面章节会介绍）

Edge-coupled Surface Microstrip

说明：

关于铜厚T ：内层，1 oz=1.2mil~1.4mil左右，需要向PCB版厂确认，一般取为1.4mil。外层，厚度应该为基铜的厚度+镀层厚度

关于线宽：内层0.5oz上幅=下幅–0.5mil ， 1oz / 经电镀上幅=下幅 – 0.8mil。外层，上幅=下幅 *（85-90%）

防焊层厚度：一般最小是0.4mil。单端阻抗：防焊前后约差7 ohms， 标示下限 +4mil 上限 +2mil。对于差动阻抗：防焊前后约差14 ohms， 标示下限 +10mil 上限 +4mil。

一般的PP型号与厚度是（仅供参考）：型号---resin to glass ratio---厚度

对于Pre-Preg推荐使用2116，Core推荐使用7628，这是根据lql-008（个人编号）关于Stackup描述而来的，读者可参阅该篇文档关于PCB的细节。

2.4 Strip单端阻抗模型

这个模型可参阅图12。

2.5 Strip 差分阻抗模型

这个模型可参阅图13。

3．阻抗计算实例说明

传输线阻抗是从电报方程推导出来（具体可以查询微波理论），当电压电流在传输线传播的时候，如果特性阻抗不一致所求出的电报方程的解不一致，就造成所谓的反射现象等等。在信号完整性领域里，比如反射，串扰，电源平面切割等问题都可以归类为阻抗不连续问题，因此匹配的重要性在此展现出来。

由图5可知，这是一个8层电路板的叠层结构，这就可以理解了，PP表示Prepreg。PP是种介质材料，由玻璃纤维和环氧树脂组成，core 其实也是PP类型介质，只不过他两面都覆有铜箔，而PP则没有。

那么每一层的铜箔厚度是怎么表示的呢？铜箔重量一般以Oz来表示。重量的单位1Oz（盎司）=28.3 g（克）。在叠层里面是这么定义的，在一平方英尺的面积上铺一盎司的铜的厚度为1Oz，它与Mil对应的关系是：

为了更好说明特征阻抗计算方法，在此假设板厚为1.6mm，也就是64mil 左右， 单端阻抗要求55Ohm，差分阻抗要求100Ohm，我们假设以如下的叠层来走线。

采用Polar Si8000计算Top与Bottom层微带线的单端阻抗为：

为了验证覆绿漆与不覆绿漆的区别，参照下图与图7的区别，可以看出，在这里不覆绿漆时特征阻抗比覆绿漆时增加了大约3.5Ohm。

这也验证了绿漆越厚，特征阻抗越小的说法（不覆盖可以表示为厚度为0）。

这里在举一个6层板的例子，更好的说明带状线特征阻抗计算的方法。在此假设板厚为1.5mm，也就是60mil 左右， 单端阻抗要求55Ohm，差分阻抗要求100Ohm，我们假设以如下的叠层来走线。

编辑：hfy