Ako kľúčový nosič elektronických systémov výkon dosiek plošných spojov priamo ovplyvňuje stabilitu a spoľahlivosť celého systému. Riadenie impedancie dosiek plošných spojov je hlavnou technológiou, ktorá zabezpečuje integritu vysoko-rýchlostných a vysokofrekvenčných{2}}signálov elektronických obvodov.
1, Čo je impedancia dosiek plošných spojov
Impedancia je komplexným odrazom efektu blokovania prúdu obvodu. V mikroskopickom svete prenosových vedení dosiek plošných spojov sa skladá z distribuovaných odporov, kondenzátorov a induktorov. Keď signál prekračuje rýchlosť na prenosovej linke, ak impedancia prenosovej linky nezodpovedá impedancii zdroja signálu a záťaže, je to ako náhle zúženie cesty alebo objavenie sa prekážok. Signál sa bude odrážať a pôvodne pravidelný tvar vlny signálu bude vykazovať skreslenie, ako je prekmit, podkmit a zvonenie. Zároveň bude sila signálu počas prenosu naďalej klesať, čo sťažuje prijímaciemu koncu presné rozpoznanie signálu, čo v konečnom dôsledku ovplyvní normálnu prevádzku celého systému obvodov. Napríklad v obvodoch rozhrania USB 3.0 na vysokorýchlostný prenos dát, ak je kontrola impedancie dosiek plošných spojov nesprávna, môže dôjsť k chybám pri prenose dát a dokonca ani dáta nie je možné prenášať normálne.
2, Hĺbková analýza kľúčových faktorov ovplyvňujúcich impedanciu dosiek plošných spojov
Vplyv geometrických parametrov prenosových vedení
Geometrické parametre prenosových vedení sú ako „formy“, ktoré tvarujú impedanciu a majú na ne priamy a významný vplyv. Šírka čiary je jedným z citlivých parametrov. Všeobecne povedané, čím širšia je šírka vedenia, tým väčšia je plocha prierezu prenosového vedenia, tým nižší je odpor a tým väčšia je medziriadková kapacita a indukčnosť, čo vedie k zníženiu charakteristickej impedancie; Naopak, čím užšia je šírka čiary, tým vyššia je charakteristická impedancia. Ak vezmeme ako príklad bežné prenosové vedenie s impedanciou 50 Ω, v doskách s plošnými spojmi so špecifickou skladanou štruktúrou a materiálom môže byť potrebné presne riadiť šírku vedenia okolo 0,15 mm, aby sa splnili požiadavky na impedanciu.
Zmenu dĺžky riadku nemožno ignorovať. So zvyšujúcou sa dĺžkou vedenia sa zvyšuje kumulatívny účinok odporu, kapacity a indukčnosti, ktorý signál zažíva počas prenosu, čo vedie nielen k zvýšenému útlmu signálu, ale aj k zmenám charakteristickej impedancie. Vo vysokofrekvenčných{2}}okruhoch sú príliš dlhé prenosové linky ako dlhé a členité cesty, čo spôsobuje vážne straty signálu počas prenosu a ľahko vedie k problémom s integritou signálu.
Rozstup vedení ako dôležitá zložka geometrických parametrov prenosových vedení ovplyvňuje kapacitu a vzájomnú indukčnosť medzi vedeniami. Vhodné rozstupy medzi linkami môžu znížiť presluchy medzi linkami, zabezpečiť čistotu signálu a tiež ovplyvniť charakteristickú impedanciu. Väčšia vzdialenosť medzi vedeniami zníži kapacitu a vzájomnú indukčnosť medzi vedeniami a zvýši charakteristickú impedanciu; Menší rozstup riadkov zníži charakteristickú impedanciu, ale môže zvýšiť riziko presluchu.
Rozhodujúca úloha materiálových vlastností dosiek plošných spojov
Materiálové charakteristiky dosiek plošných spojov sú základnými určujúcimi faktormi impedancie. Dielektrická konštanta je nepriamo úmerná impedancii. Čím väčšia je dielektrická konštanta, tým väčšia je kapacita prenosového vedenia a tým nižšia je charakteristická impedancia. Dielektrická konštanta rôznych typov dosiek plošných spojov sa výrazne líši. Napríklad dielektrická konštanta bežných dosiek FR-4 je vo všeobecnosti medzi 4,2-4,6, čo je vhodné pre nízkofrekvenčné a cenovo citlivé obvody; Vysokofrekvenčný polytetrafluóretylén (PTFE) má nižšiu dielektrickú konštantu, zvyčajne medzi 2,2-2,6, a bežne sa používa v oblastiach, ako je vysokofrekvenčná komunikácia, ktorá si vyžaduje extrémne vysokú kvalitu prenosu signálu.
Uhol dielektrickej straty odráža stupeň straty energie dosky plošných spojov pri pôsobení striedavého elektrického poľa. Vo vysoko-frekvenčných obvodoch je veľký uhol dielektrickej straty ako „energetická čierna diera“, ktorá spotrebuje veľké množstvo energie signálu a vedie k intenzívnejšiemu útlmu signálu. Preto je pri konštrukcii vysokofrekvenčných obvodov kľúčom k zabezpečeniu kvality signálu výber dosky s nízkou dielektrickou stratou.
Dôležitú úlohu zohrávajú 3 referenčné roviny
Referenčná rovina hrá nenahraditeľnú úlohu pri riadení impedancie dosiek plošných spojov. Vzdialenosť medzi prenosovým vedením a referenčnou rovinou má priamy vplyv na impedanciu. Čím je vzdialenosť bližšia, tým väčšia je kapacita a tým nižšia je charakteristická impedancia; Naopak, čím vyššia je charakteristická impedancia. Pri navrhovaní zväzkov dosiek plošných spojov je potrebné presne riadiť vzdialenosť medzi prenosovou linkou a referenčnou rovinou podľa požiadaviek na impedanciu, aby sa dosiahla cieľová impedancia.
Rozhodujúca je aj integrita referenčnej roviny. Ak sú v referenčnej rovine diskontinuity alebo delenia, rovnako ako rozbitá cesta, môže to spôsobiť zmeny v aktuálnom rozložení prenosovej linky, čím sa zmení impedancia. Napríklad na doskách plošných spojov s vysokorýchlostným prenosom signálu, ak sú medzery v základnej rovine, ovplyvní to spätnú cestu prenosového vedenia, čo spôsobí kolísanie impedancie a vážne ovplyvní integritu signálu.
3, Realizujte kontrolu impedancie dosiek plošných spojov vo všetkých aspektoch
1. Starostlivo naplánovaná fáza rozloženia
Fáza návrhu je východiskovým bodom a fázou plánovania implementácie riadenia impedancie dosiek plošných spojov. Základom je rozumné rozloženie stohovania, ktoré si vyžaduje komplexné zváženie rozloženia signálovej vrstvy, výkonovej vrstvy a zemnej vrstvy, ako aj výber hrúbky dielektrika a materiálov medzi každou vrstvou. Na zabezpečenie rovnomernej vzdialenosti medzi vrstvou signálu a referenčnou rovinou sa zvyčajne používa symetrická skladaná štruktúra, ktorá poskytuje stabilné prostredie na prenos signálu. Napríklad pri navrhovaní štvorvrstvovej dosky môže byť výkonová vrstva a zemná vrstva umiestnená v stredných dvoch vrstvách a horná a spodná vrstva môžu byť použité ako signálne vrstvy. Primeraným nastavením hrúbky dielektrika medzi každou vrstvou je možné dosiahnuť predbežnú kontrolu impedancie.
Presný výpočet šírky a medzier je jednou z kľúčových úloh vo fáze plánovania. Pomocou profesionálnych nástrojov na výpočet impedancie, ako sú PolarSI9000, HyperLynx atď., je možné presne vypočítať šírku vedenia a rozstup prenosových vedení na základe charakteristík materiálov dosiek plošných spojov, skladaných štruktúr a očakávaných hodnôt impedancie. V procese výpočtu je tiež potrebné plne zvážiť vplyv výrobných tolerancií, rezervovať si vhodné rezervy a zabezpečiť, aby skutočne vyrobené dosky plošných spojov spĺňali požiadavky na impedanciu.
V prípade diferenciálnych signálov, ktoré sa bežne používajú vo vysokorýchlostných{0}}obvodoch, si ich návrh vyžaduje prísnejšiu kontrolu. Na prísnu kontrolu šírky čiary, rozstupov a dĺžkového prispôsobenia diferenciálnych párov je diferenciálna impedancia vo všeobecnosti navrhnutá tak, aby bola 100 Ω. Použitím serpentínového smerovania a iných metód na úpravu dĺžky diferenciálnych párov sa dĺžky dvoch prenosových vedení zosúladia tak, ako je to len možné, čím sa znížia rozdiely v oneskorení prenosu signálu a zabezpečí sa integrita diferenciálnych signálov.
2 .Prísne kontrolované výrobné fázy
Výrobná fáza je rozhodujúcim krokom pri premene návrhových plánov na skutočné produkty, pričom zohráva rozhodujúcu úlohu pri riadení impedancie dosiek plošných spojov. Z hľadiska výberu materiálu je potrebné zvoliť platne s presnou a stabilnou dielektrickou konštantou a nízkou dielektrickou stratou, aby bola zaručená kontrola impedancie zo zdroja. Zároveň je potrebné prísne kontrolovať kvalitu dosky, aby nedochádzalo k výkyvom výkonu spôsobeným rozdielmi v materiálových sériách.
Technológia presného obrábania je jadrom výrobnej fázy. Proces leptania priamo určuje presnosť šírky čiary a kvalitu okrajov prenosového vedenia, čo vyžaduje presnú kontrolu parametrov, ako je čas leptania, koncentrácia leptacieho roztoku a teplota, aby sa zabránilo odchýlke šírky čiary spôsobenej nadmerným alebo nedostatočným leptaním. Proces laminácie ovplyvňuje rovnomernosť hrúbky média. Počas procesu laminácie je potrebné prísne kontrolovať parametre, ako je tlak, teplota a čas, aby sa predišlo výskytu bublín a nečistôt, a zabezpečiť, aby boli vrstvy pevne priľnuté a hrúbka média bola konzistentná. Proces galvanického pokovovania súvisí s vodivosťou a odolnosťou prenosových vedení proti korózii. Presná kontrola času galvanizácie, prúdovej hustoty a ďalších parametrov zaisťuje rovnomernú hrúbku povlaku a zlepšuje elektrický výkon prenosových vedení. Okrem toho, kvôli nevyhnutnej existencii tolerancií vo výrobnom procese, ako sú tolerancie šírky čiary, tolerancie hrúbky dielektrika, atď., je potrebné kompenzovať výrobné tolerancie počas fázy návrhu. Vhodnou úpravou konštrukčných parametrov možno znížiť vplyv výrobných tolerancií na impedanciu.
3. prísne a starostlivé fázy testovania a overovania
Po dokončení výroby dosiek plošných spojov sú testovanie a overovanie poslednými krokmi na zabezpečenie súladu s impedanciou. Reflektometer časovej domény (TDR) je bežne používaný nástroj na testovanie impedancie, ktorý dokáže rýchlo a presne vypočítať hodnotu impedancie prenosového vedenia a umiestnenie diskontinuít impedancie odosielaním vysokorýchlostných impulzných signálov do prenosového vedenia a meraním odrazených signálov. Sieťové analyzátory sa používajú hlavne na meranie S-parametrov RF a mikrovlnných obvodov. Analýzou a výpočtom S-parametrov sa získajú impedančné charakteristiky prenosových vedení pri rôznych frekvenciách, čo poskytuje podrobné informácie pre testovanie impedancie vysokofrekvenčných obvodov.
Po získaní výsledkov testu je potrebná-hĺbková analýza. Ak sa výsledky testu odchyľujú od konštrukčných hodnôt v rámci prípustného rozsahu, znamená to, že impedančné riadenie dosiek plošných spojov spĺňa požiadavky; Ak odchýlka presiahne povolený rozsah, je potrebné starostlivo preskúmať príčinu, ktorá môže zahŕňať chyby vo výpočte návrhu, odchýlky vo výrobnom procese, kolísanie výkonu materiálu atď. Z rôznych dôvodov urobte zodpovedajúce optimalizačné opatrenia, ako je úprava konštrukčných parametrov, zlepšenie výrobných procesov alebo výmena materiálov, a znova vykonajte testovanie impedancie, kým výsledky testu nebudú spĺňať konštrukčné požiadavky.