Con segnali sempre più veloci (USB 3.2, PCIe Gen 5, DDR5), l'impedenza controllata non è più opzionale. Un mismatch di impedenza causa riflessioni che degradano l'integrità del segnale, aumentano EMI e possono rendere il sistema non funzionante. Questo è particolarmente critico nella produzione PCB per applicazioni high-speed.
In questa guida esploreremo i fondamenti dell'impedenza controllata secondo gli standard IPC-2141 (Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards), come calcolarla, quali materiali scegliere (inclusi i laminati Rogers), e come specificarla correttamente per la produzione.
PCB multilayer con stack-up ottimizzato per impedenza controllata
Vedo molti designer sottovalutare l'importanza dello stack-up. Cambiano la larghezza traccia senza ricalcolare l'impedenza, e poi si chiedono perché USB 3.0 non funziona. Lo stack-up deve essere definito PRIMA del routing, non dopo.— Hommer Zhao, Technical Director
In Questo Articolo:
- → Fondamenti dell'impedenza controllata
- → Quando è necessaria (rise time, lunghezza traccia)
- → Microstrip vs Stripline: differenze e applicazioni
- → Calcolo impedenza e stack-up design
- → Materiali RF: Rogers, Isola, Taconic
- → Tolleranze e test TDR
1. Fondamenti dell'Impedenza Controllata
L'impedenza caratteristica (Z₀) di una traccia PCB è la resistenza che la traccia oppone ai segnali AC ad alta frequenza. A differenza della resistenza DC che dipende solo dal materiale conduttore, Z₀ dipende dalla geometria della traccia e dalle proprietà del dielettrico circostante. La comprensione di questi parametri è fondamentale per la produzione di PCB ad alte prestazioni.
Larghezza Traccia (W)
Tracce più larghe = impedenza minore. Relazione inversa.
Spessore Dielettrico (H)
Distanza dal piano di riferimento. Maggiore H = maggiore Z₀.
Costante Dielettrica (Dk/εr)
FR4: ~4.2-4.5. Rogers: 2.2-10.2. Dk maggiore = Z₀ minore.
Spessore Rame (T)
Tipicamente 1oz (35μm) o 0.5oz (17μm). Effetto minore su Z₀.
Formula Semplificata Microstrip
Dove: Z₀ in ohm, H = spessore dielettrico, W = larghezza traccia, T = spessore rame, εr = costante dielettrica. Per calcoli precisi, usare software come Saturn PCB o calcolatori del produttore.
Valori Impedenza Comuni
| Standard/Interfaccia | Tipo | Impedenza | Tolleranza |
|---|---|---|---|
| USB 2.0/3.0 | Differenziale | 90Ω | ±10% |
| HDMI | Differenziale | 100Ω | ±10% |
| PCIe | Differenziale | 85Ω | ±10% |
| DDR4/DDR5 | Single-ended | 40-50Ω | ±10% |
| Ethernet 1G/10G | Differenziale | 100Ω | ±10% |
| RF (50Ω system) | Single-ended | 50Ω | ±5% (critico) |
| RF (75Ω video) | Single-ended | 75Ω | ±5% |
2. Quando È Necessaria l'Impedenza Controllata
L'impedenza controllata è necessaria quando la traccia si comporta come linea di trasmissione. La regola empirica: quando la lunghezza della traccia supera 1/10 della lunghezza d'onda del segnale.
Lunghezza Critica
Dove: c = velocità luce (3×10⁸ m/s), t_rise = rise time segnale, εr = costante dielettrica. Per FR4 (εr≈4.2) e rise time 0.5ns:
L_critica = (3×10⁸ × 0.5×10⁻⁹) / (10 × √4.2) ≈ 7.3 mm
Tracce più lunghe di 7.3mm richiedono impedenza controllata per questo segnale.
| Interfaccia | Data Rate | Rise Time | L Critica | Controllo Z₀ |
|---|---|---|---|---|
| SPI 10MHz | 10 Mbps | ~10ns | ~150mm | Opzionale |
| USB 2.0 | 480 Mbps | ~0.5ns | ~7mm | Consigliato |
| USB 3.0 | 5 Gbps | ~50ps | ~0.7mm | Obbligatorio |
| PCIe Gen 3 | 8 GT/s | ~35ps | ~0.5mm | Obbligatorio |
| DDR4 | 3.2 GT/s | ~100ps | ~1.5mm | Obbligatorio |
| RF 2.4GHz | N/A | N/A | ~6mm | Obbligatorio |
Impedenza NON necessaria
- • Segnali DC (alimentazione)
- • GPIO a bassa frequenza (<1MHz)
- • I²C, UART a baud rate standard
- • Tracce molto corte (<L_critica)
- • Segnali con rise time >5ns
Impedenza OBBLIGATORIA
- • USB (tutti i tipi)
- • HDMI, DisplayPort
- • PCIe, SATA
- • DDR3/DDR4/DDR5
- • Ethernet >100Mbps
- • Qualsiasi RF/antenna
3. Strutture: Microstrip vs Stripline
Esistono due strutture principali per linee di trasmissione su PCB: microstrip (layer esterno) e stripline(layer interno). La scelta impatta prestazioni, EMI e complessità.
Microstrip
Traccia su layer esterno, un piano di riferimento
Stripline
Traccia tra due piani di riferimento
| Aspetto | Microstrip | Stripline |
|---|---|---|
| EMI Radiato | Maggiore (traccia esposta) | Minore (schermato) |
| Crosstalk | Maggiore | Minore |
| Velocità segnale | ~0.6c (aria+dielettrico) | ~0.5c (solo dielettrico) |
| Larghezza traccia (50Ω) | Più larga | Più stretta |
| Accesso per probe | Facile | Richiede via |
| Uso tipico | RF, segnali moderati | High-speed digitali, DDR |
"Per DDR4 uso sempre stripline sui layer interni. La schermatura naturale riduce il crosstalk tra le linee del bus e migliora i margini di timing. Solo i breakout dal BGA sono in microstrip."
— Hommer Zhao, Technical Director
4. Calcolo e Stack-up
Lo stack-up (struttura layer) deve essere definito PRIMA del routing per garantire le impedenze target. Il produttore fornisce stack-up con impedenze pre-calcolate, oppure calcola le larghezze traccia per le vostre specifiche.
Esempio Stack-up 6L per High-Speed
Spessore totale: ~1.6mm | Materiale: FR4 Tg170 | Dk: 4.2
Esempio Calcolo Impedenza (FR4 Dk=4.2)
| Tipo | Z₀ Target | H (dielettrico) | W (traccia) | Gap (diff) |
|---|---|---|---|---|
| Microstrip SE | 50Ω | 0.18mm | 0.30mm | - |
| Microstrip Diff | 90Ω | 0.18mm | 0.15mm | 0.15mm |
| Stripline SE | 50Ω | 0.18mm×2 | 0.20mm | - |
| Stripline Diff | 100Ω | 0.18mm×2 | 0.10mm | 0.15mm |
5. Materiali per RF e High-Speed
Il materiale del substrato influenza perdite, stabilità in temperatura e costo. FR4 è sufficiente per molte applicazioni, ma RF e high-speed richiedono spesso materiali specializzati.
| Materiale | Dk | Df (Loss) | Freq Max | Costo | Uso |
|---|---|---|---|---|---|
| FR4 Standard | 4.2-4.5 | 0.020 | ~2 GHz | € | Generale |
| FR4 High-Speed | 4.0-4.2 | 0.010-0.015 | ~6 GHz | €€ | USB 3.0, DDR4 |
| Isola I-Speed | 3.6 | 0.008 | ~12 GHz | €€€ | PCIe Gen4, 10G |
| Rogers RO4003C | 3.38 | 0.0027 | ~18 GHz | €€€€ | RF, Radar |
| Rogers RO4350B | 3.48 | 0.0037 | ~10 GHz | €€€ | 5G, WiFi 6 |
| Taconic TLY-5 | 2.2 | 0.0009 | >40 GHz | €€€€€ | mmWave, Satellite |
Guida alla Scelta del Materiale
USB 2.0, SPI veloce, UART: FR4 standard è sufficiente
USB 3.0, DDR4, PCIe Gen3: FR4 High-Speed (Megtron, Panasonic)
10G Ethernet, PCIe Gen4/5: Isola I-Speed o equivalente
RF 2-6 GHz (WiFi, BT, 5G sub-6): Rogers RO4350B o ibrido
mmWave >24 GHz: Rogers, Taconic PTFE
Stack-up Ibrido (Cost-Optimized)
Per ridurre i costi, si può usare materiale RF solo dove necessario, combinando con FR4 nei layer non critici.
L1 Rogers RO4350B → RF signals, antenna PP Prepreg bonding L2 FR4 → GND plane Core FR4 L3 FR4 → Digital signals PP Prepreg L4 FR4 → Power plane
Questo approccio può ridurre il costo del 40-60% rispetto a full-Rogers.
6. Tolleranze e Test TDR
La tolleranza dell'impedenza dipende dal controllo di processo su larghezza traccia, spessore dielettrico e placcatura. Il test TDR verifica che le specifiche siano rispettate.
Fonti di Variazione
| Parametro | Variazione Tipica | Impatto su Z₀ | Note |
|---|---|---|---|
| Larghezza traccia | ±0.5-1.0 mil | Alto | Etching variabile |
| Spessore dielettrico | ±10% | Alto | Pressatura prepreg |
| Costante dielettrica | ±5-10% | Medio | Batch-to-batch |
| Spessore rame | ±10% | Basso | Placcatura |
Test TDR (Time Domain Reflectometry)
Come Funziona
Il TDR invia un impulso veloce (rise time ~35ps) nella traccia e misura le riflessioni. Ogni discontinuità di impedenza causa una riflessione proporzionale al mismatch.
Cosa Misura
- • Impedenza media della traccia
- • Variazioni lungo la lunghezza
- • Discontinuità (via, connector)
- • Impedenza differenziale
- • Skew tra coppie
Coupon di Test
L'impedenza viene misurata su coupon dedicati posizionati nel bordo del pannello, non sul PCB stesso. Il coupon contiene tracce di riferimento con le stesse specifiche del design.
Coupon tipico con:
- • Microstrip 50Ω SE
- • Microstrip 90Ω diff
- • Stripline 50Ω SE
- • Stripline 100Ω diff
±10%
Standard
Sufficiente per USB, HDMI, PCIe
±7%
Tighter
Per DDR4, high-speed seriale
±5%
Stretto
RF critico, costo +20-50%
7. Come Specificare nei File di Produzione
Per garantire che il produttore realizzi le impedenze corrette, è fondamentale fornire specifiche complete e chiare.
Template Fab Notes Impedenza
CONTROLLED IMPEDANCE REQUIREMENTS ================================== This design requires controlled impedance. Please adjust trace widths as needed to meet targets. IMPEDANCE REQUIREMENTS: ----------------------- 1. Single-ended 50Ω ±10% - Layers: L1, L6 (microstrip) - Reference: Adjacent ground plane - Trace width: ~0.30mm (adjust per actual stackup) 2. Differential 90Ω ±10% - Layers: L1, L6 (edge-coupled microstrip) - Reference: Adjacent ground plane - Trace width: ~0.15mm, Gap: ~0.15mm 3. Single-ended 50Ω ±10% - Layers: L3, L4 (stripline) - Reference: L2 (GND) and L5 (PWR) - Trace width: ~0.20mm (adjust per actual stackup) 4. Differential 100Ω ±10% - Layers: L3, L4 (edge-coupled stripline) - Reference: L2 (GND) and L5 (PWR) - Trace width: ~0.10mm, Gap: ~0.15mm TESTING: -------- - TDR testing required on all impedance types - Include test coupon with impedance traces - Provide TDR report with shipment MATERIAL: --------- - FR4 Tg170, Dk = 4.2 @ 1GHz - Or equivalent approved material
Cosa Includere nel Package
- ☐Stack-up dettagliato con spessori
- ☐Valori impedenza target e tolleranza
- ☐Layer interessati per ogni impedenza
- ☐Tipo (SE, diff, microstrip, stripline)
- ☐Materiale e Dk richiesto
- ☐Richiesta test TDR
- ☐Richiesta report impedenza
- ☐Net names delle tracce critiche
8. Domande Frequenti (FAQ)
Cos'è l'impedenza controllata in un PCB?
L'impedenza controllata è la resistenza caratteristica di una traccia PCB ai segnali AC ad alta frequenza. Dipende da larghezza traccia, spessore dielettrico, costante dielettrica (Dk) e spessore rame. Valori tipici sono 50Ω (single-ended) e 90-100Ω (differenziale).
Quando è necessaria l'impedenza controllata?
L'impedenza controllata è necessaria quando la lunghezza della traccia supera 1/10 della lunghezza d'onda del segnale. Per segnali con rise time <1ns (USB 3.0, PCIe, HDMI, DDR4, Ethernet >100Mbps, RF), le riflessioni causerebbero errori di trasmissione.
Qual è la tolleranza tipica per impedenza controllata?
La tolleranza standard è ±10% (es. 50Ω ±5Ω). Per applicazioni RF critiche si può richiedere ±5% a costo maggiore. La tolleranza dipende dal controllo di processo su larghezza traccia (±0.5mil) e spessore dielettrico (±10%).
Che differenza c'è tra microstrip e stripline?
Il microstrip è una traccia sul layer esterno con riferimento a un solo piano (più facile da produrre, perdite maggiori). Lo stripline è tra due piani di riferimento (migliore schermatura, minori perdite, più complesso). Lo stripline è preferito per segnali critici.
Come viene testata l'impedenza controllata?
L'impedenza viene misurata con TDR (Time Domain Reflectometry). Il test usa coupon dedicati con tracce di riferimento sul pannello. Il TDR invia un impulso e misura le riflessioni per calcolare l'impedenza lungo la traccia, identificando anche discontinuità.
Fonti e Riferimenti
- • IPC-2141: Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards —ipc.org
- • Rogers Corporation: High Frequency Circuit Materials Data Sheets —rogerscorp.com
- • Isola Group: High Speed Digital and RF Material Selection Guide —isola-group.com
- • Altium Designer: Controlled Impedance Design Guide —altium.com
- • Cadence: Signal Integrity Analysis and PCB Design —cadence.com
- • Saturn PCB Design: Impedance Calculator —saturnpcb.com
