阻抗计算

大家都知道当电压、电流在传输线中传播时，阻抗不一致就会造成信号反射、串扰、电源平面切割等信号完整性问题，都是由于阻抗不连续造成的。

阻抗模型主要由以下几类

外/内层特性阻抗模型
外/内层差分阻抗模型
外/内层共面特性阻抗模型
外/内层共面差分阻抗模型

差分模型介绍可参看

http://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6043980.html

阻抗计算通常使用软件Polar SI9000，下载方式见下

http://www.mr-wu.cn/polar-si9000-install-and-crack/

计算阻抗之前需要确认板厚、层数（信号层和电源层数）、板材、表面工艺、阻抗值、阻抗公差、铜厚。

而影响阻抗的因素众多，包括介质厚度、介电常数、铜厚、线宽、线距、阻焊厚度。

详解Polar SI9000软件计算阻抗及如何设计层叠结构

更详细的实例介绍便于理解：

我们规定使用FR-4板材，板厚1.2mm，层数六层，内层铜厚1OZ，表层铜厚0.5OZ

叠层结构为：（选择什么板材进行压合取决于最终厚度加和与设计板厚要求相近即可）

Finished Thickness(mm):1.2±0.12

Account Thickness(mm):1.15

TOP			0.5OZ+Plating	positive
	PP（3313）	3.65
GND02			1OZ	negative
	Core	5.10
ART03			1OZ	positive
	PP（7628*3）	20.92
ART04			1OZ	positive
	Core	5.10
PWR05			1OZ	negative
	PP（3313）	3.65
BOTTOM			0.5OZ+Plating	positive

为什么会有上表的数值呢？

上面标出的PP片厚度都为实际厚度，参考平面取负片电源层

PP（3313）[实测值]=0.1034[理论值]-0.035/2mm*(1-1)[表层铜厚为0.5OZ，残铜率取1]-0.035mm*（1-0.7）[内层铜厚1OZ，残铜率取70%]=0.0929mm=3.65mil

PP（7628*3）[实测值]=0.1951*3[理论值]-0.035mm*（1-0.23）[内层铜厚1OZ，相邻信号层残铜率取23%]-0.035mm*（1-0.23）[内层铜厚1OZ，相邻信号层残铜率取23%]=0.5314mm=20.92mil

板子总厚度=0.5OZ+3.65mil+1OZ+5.1mil+1OZ+20.92mil+1OZ+5.1mil+1OZ+3.65mil+0.5OZ=1.15mm

传输线的特征阻抗在电磁场与波课程中已经学习，反映传输线上所走”行波”某点的电压和电流的比值，与线长无关。可以这么理解：特性阻抗的定义就是一个截面.可以想象成水管中液体流动在微分的每个截面上的阻力(每个截面是不相同的).

我们到Polar软件中进行计算

首先选择Coated Microstrip 1B单线特性阻抗，计算表层微带线50欧姆线宽，填入除了上下线宽W1、W2以外的所有值，H1为表层pp片实际厚度3.65mil，Er1为pp片3313的介电常数，T1为表层铜厚0.035(mm/OZ)*0.5(OZ)/0.0254(mm/mil)=0.69mil，C1为基材的绿油厚度（一般按照0.8mil）；C2为铜皮或者走线上的绿油厚度（一般按照0.5mil）；CEr为绿油的介电常数（3.3）；最后输入特征阻抗50欧姆。全部输入完成后单击线宽处的计算可以计算上下线宽。（最下面的黄色薄片表示参考层，对于Top层来说，与参考层之间只隔了一个pp3313，为了简化也可以选择不盖绿油的计算Surface MicroStrip 1B，计算结果-2欧姆即可）

解算结果为W1=6.8mil，精度要求不高时，一般认为W1=W0+0.5，W2=W0-0.5；由于表层铜厚0.5OZ=18μm，上下线宽W1-W2=1.5mil，我们修改W2=W1-1.5=5.3，再次计算阻抗时，发现阻抗与50欧姆极为接近，因此W0=W1-0.7=6.1mil。

上下线宽存在一定的关系（W0为设计线宽，S0为设计线距）

基铜厚	上线宽（mil）	下线宽（mil）	线距（mil）
内层18μm	W0-0.1	W0	S0
内层35μm	W0-0.4	W0	S0
内层70μm	W0-1.2	W0	S0
负片42μm	W0-0.4	W0+0.4	S0-0.4
负片48μm	W0-0.5	W0+0.5	S0-0.5
负片65μm	W0-0.8	W0+0.8	S0-0.8
外层12μm	W0-0.6	W0+0.6	S0-0.6
外层18μm	W0-0.6	W0+0.7	S0-0.7
外层35μm	W0-0.9	W0+0.9	S0-0.9
外层12μm（全板镀金工艺）	W0-1.2	W0	S0
外层18μm（全板镀金工艺）	W0-1.2	W0	S0
外层35μm（全板镀金工艺）	W0-2.0	W0	S0

如果走线难度较高时，6mil的线宽太粗，可以适当调整到5.5mil。计算结果也在误差容许范围内。

如果计算内层90欧姆差分阻抗走线时，以第三层为例，选择Edge-Coupled Embedded Microstrip 1B2A带状线，距离第二层GND之间有一个Core芯板，距离第五层PWR之间有一个pp7628*3和Core芯板。

不要误选成下面这个，下面这个表示一个pp7628*3和Core芯板距离外是空气，而不是参考面。

所有层的计算结果如下

Single Trace Impedance Control
Layer	Width(mil)	Impedance(Ohm)	Precision	Refer Layer
L1/L6	5.5	50	+/-10%	L2/L5
L3/L4	6.5	50	+/-10%	L2/L5
Differential Trace Impedance Control
Layer	Width(mil)	Impedance(Ohm)	Precision	Refer Layer
L1/L6	4.5/5.0	100	+/-10%	L2/L5
L3/L4	4.5/8.0	100	+/-10%	L2/L5
L1/L6	8.0/8.0	90	+/-10%	L2/L5
L3/L4	5.5/8.5	90	+/-10%	L2/L5

附常见的几种阻抗模型:特性阻抗,差分阻抗,共面性阻抗

外层特性阻抗模型
内层特性阻抗模型
外层差分阻抗模型
内层差分阻抗模型

5.共面性阻抗模型:

包括

外层共面特性阻抗，
内层共面特性阻抗，
外层共面差分阻抗，
内层共面差分阻抗.

每个多层板都是由芯板(即Core)和半固化片(即PP)通过压合而成的,普通的FR-4板材一般有:生益,建滔,联茂等板材供应商.

生益FR-4的芯板根据板厚来划分有:0.10MM ,0.15MM,,0.2MM ,,0.25MM.0.3MM,0.4MM,0.5MM等,包括有H/HOZ,1/1OZ,等这里有一点需要大家特别注意:含两位小数的板厚是指不含铜的厚度,只有一位小数指包括铜的总厚度,例如:0.10MM 1/1OZ的芯板,其0.10MM是指介质的厚度,其总厚度应为0.10MM+0.035+0.035MM=0.17MM,再如:0.15MM 1/1OZ的芯板,其总厚度是:0.15MM+0.035MM+0.035MM=0.22MM,而0.2MM 1/1OZ的芯板,其总厚度就是0.2MM,它的介质厚度应为:0.2MM-0.035MM-0.035MM=0.13MM.

半固化片(即PP),一般包括:106,1080,2116,7628等,其厚度为:106为0.04MM,1080为0.06MM,2116为0.11MM,7628为0.19MM.

对于Rogers板材，Rogers4350 0.1mm板材介电常数3.36，其他Rogers4350板材介电常数3.48，Rogers4003板材介电常数3.38，Rogers4403半固化片介电常数3.17.

每个多层板都是由芯板和半固化片通过压合而成的。当计算叠层结构时，通常需要把芯板和PP片叠在一起，组成板子的厚度6 M# @3 x w, ~* C! W5 U+ l+ T,例如一块芯板和两张PP片叠加”芯板+106+2116“:那么他的理论厚度就是0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。

但需注意以下几点:

1,一般不允许4张或4张以上PP叠放在一起,因为压合时容易产生滑板现象.

2,7628的PP一般不允许放在外层,因为7628表面比较粗糙,会影响板子的外观.

3,另外3张1080也不允许放在外层,因为压合时也容易产生滑板现象.” X7 R) e0 B% J” p, G
4,芯板一般选择大于0.11mm的，六层的一般两块芯板，8层的一般三块芯板。

使用Polar Si9000软件计算阻抗:

9 D( ?1 I3 D, T- O首先应知道是特性阻抗还是差分阻抗,具体阻抗线在哪些信号层上,阻抗线的参考面是哪些层?其次根据文件选择正确的阻抗模型来计算阻抗,最后通过调整各层间的介质厚度,或者调整阻抗线的线宽及间距来满足阻抗及板厚的要求!

) N& }& }, G5 D: ~4 o$ p举例说明怎样使用Polar Si9000计算阻抗及设计层叠结构:

& {4 K0 X4 W+ r! o

四层板板厚1.6MM,

外层信号线要求控制50欧姆特性阻抗和100欧姆差分阻抗.

其中H1代表的是信号层与参考层之间的介质厚度（pp片或板材，不包括铜厚）,即L1与L2之间的厚度为3.2mil, Er1为板材的介电常数（多种pp片或者板材压合在一起时取平均值）,FR-4通常为4.2-4.6,W1称为阻抗线下线宽，W2称为上线宽,一般认为W1=W+0.5MIL,W2=W-0.5MIL,S1(注意S1<2W)为两根差分线之间的间距(指线边缘与线边缘之间距离),T1信号层的成品铜厚，外层1OZ=1.4MIL,而内层考虑的蚀刻的因素，我们通常认为内层1OZ=1.2MIL,而0.5OZ=0.6MIL。Zdiff为阻抗值。

其中3.2MIL是由两张106的PP组合而来,48.42MIL指的是1.3MM 1/1OZ的芯板的介质厚度,具体是这样得来:1.3MM-0.035X2)X39.37=48.42MIL.一般层压厚度需比成品板厚小0.1MM左右，例如成品板厚1.6MM,而我们计算层压厚度一般不也许大于1.5MM,此结构的层压厚度为:0.08MM+1.3MM+0.08MM+0.035MM(铜厚)=1.495MM.即刚好满足成品板厚1.6MM的要求。

六层板板厚1.2MM,

信号层要求控制50欧姆特性阻抗和100欧姆差分阻抗.

阻抗模型中H2=29.94MIL是怎样得来？5.1+1.2+22.44+1.2=29.94MIL,其中22.44MIL即由3张7628的PP组合,0.19MMX3=0.57MMX39.37=22.44MIL,所以其层压厚度为:0.08mmX2+0.2MMX2+0.49MM+0.035MM=1.085MM.(纠正一个错误:层压结构中0.57MM应改为0.49MM),成品板厚才是1.2MM.0.49MM是由7628*2+2116组合.9