V oblasti vysoko{0}}frekvenčných a vysokorýchlostných{1} obvodov impedančné charakteristiky PCB priamo určujú integritu a stabilitu prenosu signálu. Nesúlad impedancie môže spôsobiť problémy, ako je odraz signálu, útlm, presluchy a v závažných prípadoch dokonca viesť k zlyhaniu celého obvodového systému. Preto sa technológia riadenia impedancie plošných spojov stala základným článkom na zabezpečenie výkonu vysoko-frekvenčných a vysokorýchlostných{5}}obvodov.
1, Základné pochopenie ovládania impedancie PCB
Hlavným cieľom riadenia impedancie je udržiavať charakteristickú impedanciu prenosových vedení PCB v súlade s impedanciou zariadení pripojených na oboch koncoch, aby sa minimalizovali straty energie a rušenie signálov počas prenosu. Charakteristická impedancia nie je jedna hodnota odporu, ale komplexná impedancia určená rozloženým odporom, rozloženou kapacitou a rozloženou indukčnosťou prenosového vedenia. Jeho veľkosť úzko súvisí s fyzikálnou štruktúrou, materiálovými charakteristikami a technológiou spracovania dosky plošných spojov.
Vo vysoko{0}}frekvenčných a vysokorýchlostných scenároch (ako je 5G komunikácia, servery, letecká elektronika atď.) sa vlnová dĺžka signálu skráti a vplyv distribučných parametrov prenosovej linky na signál sa rýchlo zosilní. Požiadavky na presnosť riadenia impedancie sú extrémne vysoké a v niektorých náročných scenároch sú požiadavky na presnosť ešte prísnejšie, čo kladie extrémne vysoké nároky na následné technické procesy.
2, Hlavné ovplyvňujúce faktory: materiálové vlastnosti a konštrukčné parametre
(1) Výber substrátu a povlaku pomedeného-
Substrát a medená fólia sú základnými materiálovými nosičmi, ktoré určujú impedančné charakteristiky PCB a ich výkonové parametre priamo ovplyvňujú presnosť riadenia impedancie.
Dielektrická konštanta substrátu: Dielektrická konštanta je jedným z kľúčových parametrov substrátu a charakteristická impedancia je nepriamo úmerná druhej odmocnine dielektrickej konštanty. Malé kolísanie dielektrickej konštanty môže priamo spôsobiť posun impedancie. Dielektrická konštanta rôznych typov substrátov sa výrazne líši a substráty s nízkou dielektrickou konštantou sa bežne používajú vo vysoko-frekvenčných a{3}}rýchlostných scenároch, ktoré sú vhodnejšie na prenos signálu s nízkou stratou. V praktických aplikáciách je potrebné zvoliť substrát so stabilnou dielektrickou konštantou a nízkym teplotným koeficientom podľa pracovnej frekvencie obvodu, aby sa predišlo kolísaniu dielektrickej konštanty spôsobeným zmenami teploty prostredia, ktoré môžu ovplyvniť stabilitu impedancie.
Hrúbka a drsnosť medenej fólie: Hrúbka medenej fólie priamo ovplyvňuje rozložený odpor prenosových vedení. Čím menšia je hrúbka, tým väčší je rozložený odpor a tým výraznejší je vplyv na impedanciu. Vysokofrekvenčné a vysokorýchlostné{2}}dosky plošných spojov zvyčajne používajú tenkú medenú fóliu na zníženie straty signálu spôsobenej kožným efektom. Medzitým drsnosť povrchu medenej fólie môže tiež ovplyvniť prenos signálu. Čím väčšia je drsnosť, tým závažnejšia je strata rozptylu signálu počas prenosu, najmä v scenároch s vysokou-frekvenciou. Vplyv drsnosti povrchu na impedanciu nemožno ignorovať. Preto je potrebné zvoliť elektrolytickú medenú fóliu alebo valcovanú medenú fóliu s nízkou drsnosťou povrchu, aby bola zaistená impedančná stabilita.
(2) Presná kontrola štrukturálnych parametrov prenosovej linky
Fyzikálne štrukturálne parametre prenosových vedení sú jadro určujúce charakteristickú impedanciu, vrátane šírky vedenia, rozstupu vedení a hrúbky dielektrika (vzdialenosť medzi prenosovým vedením a referenčnou rovinou). Rôzne štruktúry prenosových vedení (ako sú mikropáskové vedenia, pásové vedenia a diferenciálne vedenia) vyžadujú presné riadenie rôznych parametrov.
Mikropásiková linka: Mikropásková linka je bežná prenosová linková štruktúra na povrchu PCB, ktorá pozostáva zo signálnych liniek, substrátu (dielektrická vrstva) a referenčnej roviny (zem alebo napájacej vrstvy) pod ňou. Jeho charakteristická impedancia súvisí hlavne so šírkou čiary, hrúbkou dielektrika a dielektrickou konštantou substrátu. Vo výrobnom procese je presnosť riadenia šírky čiary a hrúbky dielektrika extrémne vysoká, inak je ľahké spôsobiť posun impedancie a prekročiť požiadavky na presnosť.
Pásová čiara: Pásová čiara sa nachádza vo vnútri dosky plošných spojov a je obalená dvoma referenčnými rovinami. Signálne vedenie je obklopené dielektrickou vrstvou a jeho charakteristická impedancia nesúvisí len so šírkou čiary a dielektrickou konštantou substrátu, ale aj so vzdialenosťou medzi hornou a dolnou referenčnou rovinou a vzdialenosťou medzi signálnou čiarou a hornou a dolnou referenčnou rovinou. Vďaka úplnému obaleniu pásovej linky dielektrickou vrstvou je signál menej ovplyvnený vonkajším rušením, ale obtiažnosť kontroly hrúbky dielektrickej vrstvy počas výrobného procesu je vyššia. Je potrebné zabezpečiť rovnomernosť hrúbky dielektrickej vrstvy po laminácii, aby sa zabránilo posunu impedancie spôsobenému nerovnomernou hrúbkou.
Diferenciálna linka: Diferenciálna linka pozostáva z dvoch paralelných signálových liniek, ktoré redukujú rušenie spoločného režimu prostredníctvom diferenciálneho prenosu signálu. Jeho riadenie impedancie zahŕňa charakteristickú impedanciu (impedancia s jedným zakončením) a diferenciálnu impedanciu (impedancia medzi dvoma signálovými vedeniami). Diferenciálna impedancia má zvyčajne pevný proporcionálny vzťah s impedanciou na jednom konci, najmä v súvislosti so šírkou čiary, vzdialenosťou medzi čiarami a hrúbkou dielektrika. Presnosť kontroly riadkovania je prísne vyžadovaná. Ak je odchýlka medzi riadkami príliš veľká, spôsobí to odchýlku diferenciálnej impedancie od nastavenej hodnoty, čo ovplyvní integritu diferenciálneho signálu.
3, Key Control Technology: Process Optimization
Proces výroby dosiek plošných spojov je kľúčovým krokom pri premene parametrov na skutočné produkty, od rezania substrátu, laminácie, prenosu grafiky až po leptanie, nanášanie spájkovacej masky. Každý krok procesu môže ovplyvniť presnosť impedancie a vyžaduje presné riadenie na zabezpečenie stability impedancie.
(1) Presná kontrola procesu laminácie
Proces laminovania je proces laminovania viacerých vrstiev substrátu a medenej fólie do jednej, ktorý priamo určuje rovnomernosť a stabilitu hrúbky dielektrika a je jedným z hlavných procesov na riadenie impedancie.
Spoločná kontrola tlaku a teploty: Primerané krivky tlaku a teploty (rýchlosť ohrevu, teplota izolácie, doba izolácie) by sa mali nastaviť podľa vlastností podkladu počas laminácie. Ak je tlak nedostatočný, medzi substrátom a medenou fóliou môžu byť medzery, čo má za následok nerovnomernú hrúbku média; Ak je teplota príliš vysoká alebo doba izolácie je príliš dlhá, substrát môže nadmerne vytvrdzovať, čo má za následok zmenu dielektrickej konštanty a ovplyvnenie impedancie. Vyžaduje sa monitorovanie v reálnom čase, aby sa zabezpečilo, že odchýlky teploty a tlaku sú riadené v rozumnom rozsahu.
Kontrola zarovnania laminácie: Pri laminovaní viacvrstvových dosiek plošných spojov zarovnanie prenosovej linky každej vrstvy s referenčnou rovinou priamo ovplyvňuje konzistenciu hrúbky média. Ak je odchýlka zarovnania príliš veľká, spôsobí to, že hrúbka dielektrika v niektorých oblastiach bude tenšia alebo hrubšia, čo vedie k lokálnemu posunu impedancie. Preto by sa malo používať vysoko presné polohovacie zariadenie, aby sa zabezpečilo, že odchýlka zarovnania laminácie bude riadená v rozumnom rozsahu. Zároveň by po laminácii malo byť zarovnanie medzi vrstvami skontrolované profesionálnym testovacím zariadením, aby sa okamžite odstránili nekvalifikované produkty.
(2) Zdokonalenie procesov prenosu grafiky a leptania
Prenos grafiky je proces prenosu grafiky nastavenej prenosovej linky na medenú fóliu, zatiaľ čo leptanie odstraňuje prebytočnú medenú fóliu, aby sa vytvorila konečná prenosová linka. Tieto dva procesy priamo určujú presnosť šírky čiary, čo následne ovplyvňuje impedanciu.
Presná kontrola grafického prenosu: Grafický prenos zvyčajne využíva proces fotolitografie, vrátane troch krokov poťahovania, expozície a vyvolávania. Pri aplikácii fotorezistu je potrebné zabezpečiť, aby hrúbka fotorezistu bola rovnomerná, aby sa predišlo rozmazaniu okrajov vzoru po expozícii v dôsledku nerovnomernej hrúbky fotorezistu; Počas expozície je potrebné kontrolovať expozičnú energiu a presnosť expozície. Na zaistenie kontroly odchýlky medzi šírkou grafickej čiary a nastavenou hodnotou by sa mal použiť vysoko presný expozičný stroj; Počas vývinu je potrebné kontrolovať dobu vývinu a teplotu, aby nedošlo k nedostatočnému alebo nadmernému vývinu.
Optimalizácia parametrov procesu leptania: Proces leptania vyžaduje nastavenie koncentrácie leptacieho roztoku, teploty leptania a rýchlosti leptania podľa hrúbky medenej fólie. Nadmerná rýchlosť leptania môže viesť k nadmernému zmenšeniu šírky čiary, zatiaľ čo pomalá rýchlosť leptania môže mať za následok neúplné leptanie a zvyškovú medenú fóliu ovplyvňujúcu impedanciu. Súčasne by sa malo použiť zariadenie na leptanie rozprašovaním, aby sa zabezpečilo, že leptací roztok bude rovnomerne nastriekaný na povrch medenej fólie, čím sa zabráni nerovnomernému leptaniu a odchýlke šírky čiary v určitých oblastiach. Po leptaní je potrebné skontrolovať presnosť šírky čiary optickým detekčným zariadením a výrobky, ktoré presahujú odchýlku, by sa mali včas prepracovať alebo zošrotovať.
(3) Kontrola vplyvu povlaku spájkovacej masky a povrchovej úpravy
Hoci povlak spájkovacej masky (zelený olej) a povrchová úprava (ako je ponorné zlato, cínovanie) priamo neurčujú impedanciu, nesprávne ošetrenie môže stále ovplyvniť stabilitu impedancie.
Riadenie hrúbky vrstvy spájkovacej masky: Vrstva spájkovacej masky pokrýva povrch prenosového vedenia a jej dielektrická konštanta a hrúbka budú mať mierny vplyv na impedanciu mikropáskového vedenia (páskové vedenia sú menej ovplyvnené vrstvou spájkovacej masky, pretože sú obalené dielektrickou vrstvou). Ak je hrúbka vrstvy spájkovacej masky nerovnomerná, povedie to k nekonzistentnému dielektrickému prostrediu okolo mikropáskového vedenia, čo spôsobí lokálne kolísanie impedancie. Preto je počas nanášania masky na spájkovanie potrebné kontrolovať hrúbku náteru, udržiavať odchýlku v primeranom rozsahu a vyhýbať sa vrstve spájkovacej masky pokrývajúcej kľúčové oblasti prenosového vedenia.
Konzistencia povrchovej úpravy: Účelom povrchovej úpravy je zabrániť oxidácii medenej fólie a zabezpečiť spoľahlivosť zvárania, ale hrúbka a rovnomernosť povrchovej vrstvy môže ovplyvniť aj odolnosť prenosového vedenia. Ak je hrúbka vrstvy spracovania nerovnomerná, spôsobí to kolísanie povrchového odporu prenosového vedenia, čím sa ovplyvní impedancia. Preto je potrebné kontrolovať procesné parametre povrchovej úpravy, aby sa zabezpečilo, že odchýlka hrúbky ošetrovanej vrstvy bude kontrolovaná v rozumnom rozsahu, pričom sa zabezpečí konzistencia vizuálnou kontrolou a testovaním hrúbky.
4, Detekcia a overenie: Zabezpečte presnosť riadenia impedancie
Detekcia a overenie impedancie sú poslednou líniou obrany pre kontrolu impedancie PCB. Použitím profesionálnych zariadení a metód na zisťovanie hodnôt impedancie skutočných produktov zabezpečujeme, že spĺňajú požiadavky a poskytujeme dátovú podporu pre optimalizáciu procesov.
(1) Zariadenia a metódy na zisťovanie impedancie
V súčasnosti je hlavným prúdovým zariadením na detekciu impedancie PCB tester impedancie a metódy detekcie zahŕňajú hlavne reflektometriu v časovej doméne (TDR) a metódu frekvenčnej domény.
Reflektometria v časovej oblasti: TDR vypočítava charakteristickú impedanciu na základe odrazu rýchlo rastúceho impulzného signálu vysielaného do prenosovej linky. Táto metóda môže vizuálne zobraziť zmeny impedancie v rôznych bodoch prenosového vedenia (ako je umiestnenie a amplitúda mutácií impedancie) a je vhodná na detekciu lokálnych abnormalít v impedancii (ako je odchýlka šírky vedenia a nerovnomerná hrúbka dielektrika). Počas testovania je potrebné presne pripojiť testovaciu sondu k testovacím bodom na doske plošných spojov, aby bol zaistený dobrý kontakt, pričom testovacia frekvencia by mala pokrývať pracovný rozsah vysoko-frekvenčných a vysokorýchlostných{3}}obvodov.
Metóda frekvenčnej oblasti: Metóda frekvenčnej oblasti vypočítava charakteristickú impedanciu meraním parametrov rozptylu prenosového vedenia pri rôznych frekvenciách. Táto metóda dokáže analyzovať zmeny impedancie s frekvenciou a je vhodná na vyhodnotenie stability impedancie dosiek plošných spojov v celom rozsahu prevádzkových frekvencií.
(2) Analýza detekčných údajov a optimalizácia procesu
Detekcia impedancie nie je konečným bodom, ale skôr objavením problémov v procese prostredníctvom analýzy údajov a optimalizácie parametrov procesu. Ak sa napríklad zistí, že impedancia mikropáskového vedenia série dosiek plošných spojov je vo všeobecnosti nízka, je potrebné skontrolovať, či neexistujú problémy, ako je príliš veľká šírka čiary, príliš malá hrúbka dielektrika alebo príliš vysoká dielektrická konštanta substrátu. Po nájdení hlavnej príčiny problému upravte príslušné parametre procesu. Zároveň je potrebné vytvoriť databázu detekcie impedancie na zaznamenávanie detekčných údajov každej šarže dosiek s plošnými spojmi, zhrnúť koreláciu medzi parametrami procesu a impedanciou prostredníctvom štatistickej analýzy a vytvoriť štandardizovaný plán riadenia procesu na neustále zlepšovanie presnosti riadenia impedancie.