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PCB 스택업 임피던스 계산기

일반적인 PCB 적층 구성에 대한 특성 임피던스를 계산합니다.레이어 수, 유전체 두께 및 구리 무게를 선택하여 50Ω 또는 사용자 지정 임피던스의 목표 트레이스 너비를 얻을 수 있습니다.

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공식

A=Z060εr+12+εr−1εr+1(0.23+0.11εr),WH=8eAe2A−2A = \frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{\varepsilon_r+1}{2}} + \frac{\varepsilon_r-1}{\varepsilon_r+1}\left(0.23+\frac{0.11}{\varepsilon_r}\right),\quad \frac{W}{H} = \frac{8e^A}{e^{2A}-2}

참고: Wheeler (1977); Pozar "Microwave Engineering" 4th ed.

Z₀— 대상 특성 임피던스 (Ω)
εᵣ— 유전 상수
A— 휠러 중간 파라미터
W/H— 트레이스 너비와 높이 비율
H— 유전체 층 두께 (mm)

작동 방식

PCB 스택업 빌더는 RF 프런트엔드, 고속 디지털 인터페이스 (DDR4/5, PCIe Gen4/5) 및 EMC 규정 준수에 필수적인 제어된 임피던스 및 신호 무결성을 위한 레이어 구성을 설계합니다.하드웨어 엔지니어는 이를 사용하여 신호 계층 간에 6-10dB의 크로스토크 절연을 유지하면서 50옴 (+/ -10%) 임피던스를 달성합니다.

IPC-2141A 및 Johnson/Graham의 '고속 디지털 설계'에 따르면 스택업은 (1) 유전 높이 H 및 트레이스 폭 W를 통한 특성 임피던스, (2) 신호-신호 계층 간격을 통한 크로스토크, (3) 접지/전력 플레인 배치를 통한 EMC 성능이라는 세 가지 중요한 매개변수를 결정합니다.함머스타드-젠슨 방정식은 0.1~10 사이의 W/H 비율에 대해 +/ -1% 의 임피던스 정확도를 달성합니다.

FR4의 유전 상수는 조르드제비치-사카르 모델별로 4.6 (1MHz) 에서 4.2 (5GHz) 까지 다양한데, 이는 계산된 임피던스를 4~ 5% 변화시키는 9% 의 변화입니다.로저스 RO4350B 은 10GHz에서 Er = 3.48 +/ -1.5% 를 유지합니다. 이것이 바로 2GHz 이상의 RF 설계에 IPC-4101 규격의 제어형 ER 재료를 지정하는 이유입니다.표준 팹 허용 오차는 +/ -10% 임피던스이고 고급 RF 팹은 +/ -5% 를 달성합니다.

유효 Er이 다르기 때문에 마이크로스트립 (FR4의 경우 6.1ps/mm) 과 스트립라인 (7.1ps/mm) 간에는 전파 지연이 다릅니다.3200MT/s (312ps UI) 의 DDR4의 경우 외부 레이어와 내부 레이어 트레이스 간의 10mm 길이 불일치로 인해 타이밍 버짓의 3% 인 10ps 스큐가 발생합니다.길이 매칭은 레이어별 전파 속도를 고려해야 합니다.

계산 예제

문제: JLC 표준 프로세스를 사용하여 동일한 보드에서 USB 3.0 (90옴 디퍼런셜) 및 WiFi 2.4GHz (50옴 싱글 엔드) 용 4레이어 스택업을 설계합니다.

IPC-2141A 기준 솔루션: 1.JLC 4레이어 표준: 총 1.6mm, L1-L2 프리프레그 0.1mm, L2-L3 코어 1.2mm, L3-L4 프리프레그 0.1mm 2.레이어 할당: L1 = 신호 (USB TX, WiFi RF), L2 = GND, L3 = VCC, L4 = 신호 (USB RX) 3.L1의 50옴 마이크로스트립의 경우 (H=0.1mm, Er=4.3): 해머스타드-젠슨당 W = 0.19mm (7.5밀) 4.L1의 90옴 디퍼렌셜의 경우 (Zdiff = 2 x Zodd): W = 0.12mm에서의 S = 0.16mm 간격 5.TDR 시뮬레이션 또는 팹 성능 표를 통해 확인 6.전파 지연 L1:6.14 ps/mm, 길이가 0.82mm 이내의 USB 쌍과 일치하여 스큐 5ps 미만인 경우

팹 노트: 'L1/L4 마이크로스트립 Z0=50옴 +/ -10%, Zdiff=90옴 +/ -10% (IPC-2141A 기준).임피던스 쿠폰이 필요합니다. '

실용적인 팁

  • ✓설계 전에 팹에 실제 스택업을 요청하십시오. JLC, PCBWay는 정확한 Er 및 레이어 두께를 게시합니다.일반적인 가정에서는 임피던스 오차가 5-10% 정도 발생하며, 이 경우 제어된 임피던스 사양에 실패할 수 있습니다.
  • ✓4/6 레이어 보드에는 대칭 스택업 (S-G-G-S 또는 S-G-V-G-S) 을 사용하십시오. 균형 잡힌 구리 분포는 IPC-6012D 당 휘어짐을 방지하고 두 외부 레이어에서 일관된 임피던스를 보장합니다.
  • ✓Johnson/Graham에 따르면 접지면을 모든 신호 레이어에 인접하게 배치하면 루프 인덕턴스가 최소화되고 (0.4NH/mm 대 1.5NH/mm) 20dB 더 나은 EMC 성능을 제공합니다.

흔한 실수

  • ✗모든 주파수에 대해 일반 FR4 Er=4.5 사용 — Er은 1MHz에서 5GHz까지 9% 차이가 납니다.주파수 보정값을 사용하십시오. Er=1GHz에서 4.4, 조르드제비치-사카르의 경우 5GHz에서 4.2를 사용하거나 2GHz 이상인 경우 제어된 ER 재료를 지정하십시오.
  • ✗인접한 접지 레퍼런스가 없는 레이어에 고속 신호 배치: L1을 기준으로, L3을 전력으로 사용하는 L2의 신호는 복귀 경로가 분할되어 EMI가 Henry Ott당 10-20dB 증가합니다.
  • ✗임피던스 계산에서 구리 두께를 무시하면 IPC-2141A 기준 유효 폭 증가로 인해 2온스 구리 (70um) 대 1온스 (35um) 로 인해 임피던스가 3-5옴씩 이동합니다.

자주 묻는 질문

2GHz 이상의 RF의 경우: 로저스 RO4350B (Er=3.48, tan_delta=0.004) 또는 이솔라 I-Tera (Er=3.45)Er이 낮을수록 동일한 임피던스에 대해 더 넓은 트레이스가 가능하므로 제조 수율이 향상됩니다.손실 탄젠트가 낮으면 감쇠가 감소합니다. FR4는 5GHz에서 0.4-0.6dB/cm의 손실을 줄이고 로저스는 0.1-0.15dB/cm의 손실을 입습니다.비용 프리미엄은 FR4의 3-5배입니다.
매우 — IPC-2141A 기준으로 임피던스는 대략 1/W^0.5로 다양합니다.0.2mm 트레이스에서 10um 폭 변화는 임피던스를 2.5옴 (5%) 만큼 이동합니다.표준 에칭 허용 오차는 +/-20um이며, 제어식 임피던스 팹은 +/-10um을 달성합니다.너비는 항상 허용 오차로 지정하십시오: 'W = 0.19 +/-0.01mm'.
주의해서 사용할 경우 최대 2GHz까지 사용할 수 있습니다.FR4 제한: (1) 로트당 Er 변동이 +/ -8%, (2) 손실 탄젠트 0.02는 5GHz에서 0.5-1 dB/cm의 손실을 야기합니다. (3) 수분 흡수는 Er을 2-3% 변화시킵니다.2GHz 이상이거나 손실에 민감한 애플리케이션의 경우 로저스/아이솔라를 사용하십시오.FR4는 10-15mm 트레이스의 2.4GHz WiFi에 사용할 수 있습니다.
IPC-TM-650 기준 세 가지 방법: (1) 임피던스 쿠폰에 대한 TDR (시간 영역 반사계) (최고 정확도 +/ -2%), (2) VNA S-파라미터 측정 - 교정 설비 필요, (3) 실제 형상의 제조 단면 측정.모든 제어 임피던스 보드에 대한 TDR 보고서를 팹에 요청하십시오.
Hammerstad-Jensen에 따르면: 마이크로스트립의 경우 Z0은 대략 sqrt (H) 만큼 다양합니다.유전 높이 H를 두 배로 늘리면 임피던스가 40% 증가합니다.동일한 50옴 대상의 경우 H=0.2mm에는 W=0.38mm가 필요하고 H=0.1mm에는 W=0.19mm가 필요합니다.유전체가 얇을수록 트레이스가 좁아지고 (밀도가 높아짐) 제조 허용 오차가 더 엄격해야 합니다.

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