Mikrostreifen- und Streifenleiterimpedanz
Mikrostreifen- und Streifenleitungsunterschiede, Lagenaufbauparameter, die Wirkung von Breite, Dielektrikum und Kupfer sowie ein Verfahren zur Bestimmung der kontrollierten Impedanz.
Geschrieben und technisch geprüft vonElectroDesignForge Engineering Team
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Eine Mikrostreifenleitung liegt auf einer Außenlage und bezieht sich auf eine nahegelegene Referenzebene. Eine Streifenleitung liegt auf einer Innenlage zwischen zwei Referenzebenen. Die charakteristische Impedanz hängt in beiden Fällen von der gesamten elektromagnetischen Geometrie ab: Leiterbahnbreite und Kupferdicke, Ebenenabstände, Dielektrizitätszahl, Lötstoppmaske und Fertigungsdetails.
Mikrostreifen oder Streifenleitung: Wahl der Geometrie
| Geometrie | Bauarbeiten | Stärken | Watch-outs |
|---|---|---|---|
| Mikrostreifen | Außenschichtspur über einer Ebene | Einfacher Zugang, oft geringerer dielektrischer Verlust, einfaches Routing und Inspektion | Feld ist teilweise in der Luft und Lötmaske; empfindlicher auf nahe gelegene Strukturen und Strahlung |
| Symmetrische Streifenleitung | Innenschichtspur mittig zwischen zwei Ebenen | Besserer Feldeinschluss, gute Immunität und geringe Strahlung | Höherer dielektrischer Verlust; Breite kann schmaler sein und hängt vom gepressten Stapel ab |
| Asymmetrische Streifenleitung | Innenschichtspur näher an einer Ebene | Passt zu einem praktischen nicht-symmetrischen Stack-up | Beide dielektrischen Höhen müssen bekannt sein und beibehalten werden |
Microstrip ist üblich für zugängliche Oberflächensignale, RF-Routing und Schnittstellen, bei denen das Routing der äußeren Schicht bequem ist. Stripline wird oft für schnelle Signale bevorzugt, die ein dichtes Board durchqueren oder bei denen die Emission und Anfälligkeit begrenzt werden müssen. Diese Wahl ersetzt nicht die Notwendigkeit, Vias, Referenzänderungen und Fertigungsbeschränkungen zu verwalten.
Verwenden Sie die PCB-Impedanzrechner Vergleich dieser Geometrien mit dem tatsächlichen Stack-up des Herstellers.
Was setzt die Impedanz
Für eine Single-Ende-Linie haben die folgenden Variablen den stärksten Effekt:
| Parameter | Allgemeiner Effekt, wenn sich der Parameter erhöht |
|---|---|
Spurbreite W | Impedanz sinkt |
Abstand zur Bezugsebene H | Impedanzerhöhungen |
Relative Permitivität εr / Dk | Impedanz sinkt |
Kupferdicke T | Die Impedanz nimmt leicht ab, insbesondere bei engen Spuren |
| Lötmaske auf einem Mikrostreifen | Impedanz nimmt normalerweise ab |
Diese Trends helfen, eine Inkonsistenz zu erkennen, aber sie reichen nicht aus, um eine Spurbreite einzufrieren. Mikrostreifengleichungen verwenden eine effektive Permitivität εeff: ein Teil des Feldes wandert im Dielektrikum und ein Teil in Luft oder Lotmaske. Die Streifenleitung ist im Dielektrikum vollständiger begrenzt, so dass ihre effektive Permittivität näher am Material Dk liegt.
Lesen eines Stack-ups als elektrische Spezifikation
Eine Anzeige wie "FR-4, 1,6 mm, 1 oz" reicht nicht aus, um die Impedanz zu berechnen. Sie benötigen den detaillierten Stapel an der Signalschicht:
- Die Signalschicht und die sie umgebende oder umgebende durchgehende Bezugsebene.
- Die gepresst Abstand zwischen Spur und jeder Ebene, nicht nur die nominale Vorlaminierungsdicke des Prepregs.
- Die fertig Kupfer, gegebenenfalls einschließlich Deckschichtbeschichtung.
- Das Materialdesign Dk in der Zielfrequenz, geliefert vom Laminat- oder Leiterplattenhersteller.
- Anwesenheit von Lötmasken, Dicke und Dk für einen Mikrostreifen.
- Fertigbreite, dielektrische Höhe, Kupfer- und Dk-Toleranz.
Für einen Mikrostreifen, Höhe H ist der Abstand von der Spur zu ihrer Rückkehrebene. In einer symmetrischen Streifenleitung sind die beiden Ebenenabstände gleich. Eine asymmetrische Streifenleitung muss separat niedriger sein H1 und obere H2 Höhen; Ersetzen Sie sie nicht durch einen Durchschnitt, es sei denn, das Modell unterstützt es.
Ein 50-Ω-Ausführungsbeispiel
Betrachten Sie einen äußeren Mikrostreifen über einer Bodenebene. Wenn das Ätzen die Spur verengt, sinkt ihre Kapazität pro Längeneinheit und ihre Impedanz steigt. Wenn das gepresste Dielektrikum dicker wird, fällt auch die Kopplung an die Ebene und die Impedanz steigt an. Diese beiden Variationen können sich daher addieren.
Für a 50 Ω Ziel, verwenden Sie die berechnete Breite als Ausgangspunkt, dann bitten Sie den Hersteller, seinen Impedanzcoupon und die kompensierte Breite zu bestätigen. Eine nützliche Spezifikation besagt mindestens:
Layer: L1 microstrip referenced to L2
Target impedance: 50 Ω single-ended
Tolerance: ±10%
Stack-up reference: fabricator stack-up revision X
Control: impedance coupon and measurement report
Die Gerberbreite kann vom Hersteller eingestellt werden, wenn er den Stapel kontrolliert und das Ziel garantiert. Ändern Sie diese Breite nach der Validierung nicht, ohne die Analyse zu wiederholen.
Return Current und Transitions
Die Impedanz wird nicht allein durch den Signalverlauf bestimmt. Bei hoher Frequenz folgt der Rückstrom vorzugsweise der Bezugsebene unter einer Linie, wo die Kopplung am stärksten ist. Ein Ebenensplit, eine Referenzänderung oder ein Schichtübergang ohne Rückführung über erzeugt eine Diskontinuität, die ein Signal auch dann verschlechtern kann, wenn jedes Spurensegment 50 Ω beträgt.
- Halten Sie eine kontinuierliche Bezugsebene unter einem Mikrostreifen und auf beiden Seiten einer Streifenleitung.
- Platzieren Sie Bodenvias in der Nähe von Schichtübergängen, um einen kurzen Rückweg bereitzustellen.
- Erzwingen Sie keinen Rückstrom über einen Schlitz, ein Halten oder eine geteilte Ebene.
- Prüfen Sie Steckverbinder, Starts, Vias und Stubs: Sie sind oft mehr als ein paar Millimeter richtig dimensionierte Leitung.
Grenzwerte für schnelle Berechnungen
Die PCB-Impedanzrechner bietet eine einseitige quasi-statische Schätzung und eine Toleranzhülle für den Vergleich von Optionen. Es ersetzt keine Feldlöser- oder Herstellervalidierung, wenn die Marge eng ist oder die Datenrate hoch ist.
Eine vollständigere Analyse ist erforderlich, wenn Lötmaske, Kupferrauhigkeit, trapezförmiges Ätzen, Glasgewebe, gekoppelte Differenzialleitungen, Vias, Steckerstarts, nahe gelegene Ebenen, Verlust oder Frequenzstreuung Materie. Beginnen Sie bei einer Standardschnittstelle immer mit den offiziellen Impedanzziel- und Routingregeln.
Vorfertigungs-Checkliste
- Wählen Sie die Geometrie, die tatsächlich im Stapel verfügbar ist: Microstrip oder Stripline.
- Verbinden Sie jede Linie mit einem kontinuierlichen Rückkehrflugzeug.
- Verwenden Sie die gepressten dielektrischen und fertigen Kupferdaten des Herstellers.
- Geben Sie die Zielimpedanz, die Toleranz, die Schichten und den Single-Ende- oder Differenzmodus in den Herstellungsnotizen an.
- Fordern Sie kompensierte Breite, Testcoupon und Messbericht an, wenn die Impedanz kritisch ist.
- Übergänge, Vias und Referenzänderungen separat prüfen.
Bibliographie
- IPC-2141A — Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.
- E. O. Hammerstad und Ø. Jensen — Accurate Models for Microstrip Computer-Aided Design, IEEE MTT-S, 1980.
- IPC-6012 — Qualifikations- und Leistungsanforderungen für starre Leiterplatten, ergänzt durch Herstellerregeln und Coupons.