V oblasti vysoko{0}}frekvenčních a vysokorychlostních obvodů{1} určují impedanční charakteristiky PCB přímo integritu a stabilitu přenosu signálu. Nesoulad impedance může způsobit problémy, jako je odraz signálu, útlum, přeslechy a ve vážných případech dokonce vést k selhání celého obvodového systému. Technologie řízení impedance PCB se proto stala základním článkem, který zajišťuje výkon vysoko-frekvenčních a vysokorychlostních{5}}obvodů.
1, Základní znalosti o řízení impedance plošných spojů
Hlavním cílem řízení impedance je udržet charakteristickou impedanci přenosových linek PCB konzistentní s impedancí zařízení připojených na obou koncích, aby se minimalizovaly ztráty energie a interference signálů během přenosu. Charakteristická impedance není jedna hodnota odporu, ale komplexní impedance určená distribuovaným odporem, distribuovanou kapacitou a distribuovanou indukčností přenosového vedení. Jeho velikost úzce souvisí s fyzikální strukturou, materiálovými charakteristikami a procesní technologií desky plošných spojů.
Ve scénářích vysoké{0}}frekvence a{1}}rychlosti (jako je komunikace 5G, servery, letecká elektronika atd.) se vlnová délka signálu zkracuje a vliv distribučních parametrů přenosové linky na signál se rychle zesiluje. Požadavky na přesnost řízení impedance jsou extrémně vysoké a v některých náročných scénářích jsou požadavky na přesnost ještě přísnější, což klade extrémně vysoké nároky na následné technické procesy.
2, Faktory ovlivňující jádro: vlastnosti materiálu a strukturální parametry
(1) Výběr substrátu a měděného-potahu
Substrát a měděná fólie jsou základními materiálovými nosiči, které určují impedanční charakteristiky plošných spojů a jejich výkonové parametry přímo ovlivňují přesnost řízení impedance.
Dielektrická konstanta substrátu: Dielektrická konstanta je jedním z klíčových parametrů substrátu a charakteristická impedance je nepřímo úměrná druhé odmocnině dielektrické konstanty. Malé kolísání dielektrické konstanty může přímo způsobit impedanční posun. Dielektrická konstanta různých typů substrátů se výrazně liší a substráty s nízkou dielektrickou konstantou se běžně používají ve vysokofrekvenčních a vysokorychlostních scénářích, které jsou vhodnější pro přenos signálu s nízkou ztrátou. V praktických aplikacích je nutné zvolit substrát se stabilní dielektrickou konstantou a nízkým teplotním koeficientem podle pracovní frekvence obvodu, aby se zabránilo kolísání dielektrické konstanty způsobené změnami okolní teploty, které mohou ovlivnit stabilitu impedance.
Tloušťka a drsnost měděné fólie: Tloušťka měděné fólie přímo ovlivňuje rozložený odpor přenosových vedení. Čím menší je tloušťka, tím větší je distribuovaný odpor a tím významnější je dopad na impedanci. Vysokofrekvenční a-rychlostní desky plošných spojů obvykle používají tenkou měděnou fólii, aby se snížila ztráta signálu způsobená kožním efektem. Mezitím drsnost povrchu měděné fólie může také ovlivnit přenos signálu. Čím větší je drsnost, tím závažnější je ztráta rozptylu signálu během přenosu, zejména ve vysokofrekvenčních scénářích. Vliv drsnosti povrchu na impedanci nelze ignorovat. Proto je nutné pro zajištění impedanční stability volit elektrolytickou měděnou fólii nebo válcovanou měděnou fólii s nízkou drsností povrchu.
(2) Přesná kontrola strukturálních parametrů přenosového vedení
Fyzické strukturální parametry přenosových vedení jsou jádrem určujícím charakteristickou impedanci, včetně šířky vedení, rozteče vedení a tloušťky dielektrika (vzdálenost mezi přenosovým vedením a referenční rovinou). Různé struktury přenosových vedení (jako jsou mikropásková vedení, pásková vedení a diferenciální vedení) vyžadují přesné řízení různých parametrů.
Mikropáskové vedení: Mikropáskové vedení je běžná struktura přenosového vedení na povrchu PCB, sestávající ze signálových vedení, substrátu (dielektrická vrstva) a referenční roviny (zemní nebo výkonová vrstva) pod ním. Jeho charakteristická impedance souvisí hlavně s šířkou vedení, tloušťkou dielektrika a dielektrickou konstantou substrátu. Ve výrobním procesu je přesnost řízení šířky čáry a tloušťky dielektrika extrémně vysoká, jinak je snadné způsobit impedanční posun a překročit požadavky na přesnost.
Pásová čára: Pásová čára se nachází uvnitř desky plošných spojů a je obalena dvěma referenčními rovinami. Signální vedení je obklopeno dielektrickou vrstvou a jeho charakteristická impedance nesouvisí pouze s šířkou vedení a dielektrickou konstantou substrátu, ale také se vzdáleností mezi horní a dolní referenční rovinou a vzdáleností mezi signálním vedením a horní a dolní referenční rovinou. Díky úplnému obalení proužkového vedení dielektrickou vrstvou je signál méně ovlivněn vnějším rušením, ale obtížnost řízení tloušťky dielektrické vrstvy během výrobního procesu je vyšší. Je nutné zajistit rovnoměrnost tloušťky dielektrické vrstvy po laminaci, aby se zabránilo impedančnímu posunu způsobenému nerovnoměrnou tloušťkou.
Diferenciální linka: Diferenciální linka se skládá ze dvou paralelních signálových linek, které snižují rušení společného režimu prostřednictvím diferenciálního přenosu signálu. Jeho řízení impedance zahrnuje charakteristickou impedanci (impedance s jedním koncem) a diferenciální impedanci (impedance mezi dvěma signálovými vedeními). Diferenciální impedance má obvykle pevný proporcionální vztah s impedancí na jednom konci, hlavně související s šířkou vedení, rozestupem mezi řádky a tloušťkou dielektrika. Je přísně vyžadována přesnost kontroly řádkování. Pokud je odchylka řádkování příliš velká, způsobí to odchylku diferenciální impedance od nastavené hodnoty, což ovlivní integritu diferenciálního signálu.
3, Technologie klíčového řízení: Optimalizace procesu
Proces výroby desek plošných spojů je klíčovým krokem při převodu parametrů na skutečné produkty, od řezání substrátu, laminace, přenosu grafiky až po leptání, potahování pájecí maskou. Každý krok procesu může ovlivnit přesnost impedance a vyžaduje přesné řízení pro zajištění stability impedance.
(1) Přesné řízení procesu laminace
Proces laminace je proces laminování více vrstev substrátu a měděné fólie do jedné, přímo určující rovnoměrnost a stabilitu tloušťky dielektrika a je jedním ze základních procesů pro řízení impedance.
Společné řízení tlaku a teploty: Přiměřené křivky tlaku a teploty (rychlost ohřevu, teplota izolace, doba izolace) by měly být nastaveny podle vlastností podkladu během laminace. Pokud je tlak nedostatečný, mohou být mezi substrátem a měděnou fólií mezery, což má za následek nerovnoměrnou tloušťku média; Pokud je teplota příliš vysoká nebo doba izolace příliš dlouhá, substrát může podléhat nadměrnému vytvrzení, což má za následek změnu dielektrické konstanty a ovlivnění impedance. Je vyžadováno monitorování v reálném čase, aby se zajistilo, že odchylky teploty a tlaku jsou řízeny v rozumném rozsahu.
Kontrola zarovnání laminace: Při laminování vícevrstvých desek plošných spojů ovlivňuje zarovnání přenosové linky každé vrstvy s referenční rovinou přímo konzistenci tloušťky média. Pokud je odchylka vyrovnání příliš velká, způsobí to, že se tloušťka dielektrika v některých oblastech ztenčí nebo zesílí, což povede k místnímu posunutí impedance. Proto by se mělo používat vysoce přesné polohovací zařízení, aby bylo zajištěno, že odchylka zarovnání laminace je řízena v rozumném rozsahu. Zároveň by po laminaci mělo být zarovnání mezi vrstvami zkontrolováno profesionálním testovacím zařízením, aby se rychle odstranily nekvalifikované produkty.
(2) Zdokonalení procesů přenosu grafiky a leptání
Přenos grafiky je proces přenosu grafiky nastavené přenosové linky na měděnou fólii, zatímco leptání odstraňuje přebytečnou měděnou fólii, aby se vytvořila konečná přenosová linka. Tyto dva procesy přímo určují přesnost šířky čáry, která následně ovlivňuje impedanci.
Přesná kontrola přenosu grafiky: Přenos grafiky obvykle využívá proces fotolitografie, včetně tří kroků potahování, expozice a vyvolávání. Při aplikaci fotorezistu je nutné zajistit, aby tloušťka fotorezistu byla stejnoměrná, aby nedocházelo k rozmazání okrajů vzoru po expozici v důsledku nerovnoměrné tloušťky fotorezistu; Během expozice je nutné kontrolovat expoziční energii a přesnost expozice. Měl by být použit vysoce přesný osvitový stroj, aby bylo zajištěno, že odchylka mezi šířkou grafické čáry a nastavenou hodnotou je řízena v rozumném rozsahu; Během vývoje je nutné kontrolovat dobu a teplotu vývoje, aby nedošlo k nedostatečnému nebo nadměrnému vývoji.
Optimalizace parametrů procesu leptání: Proces leptání vyžaduje nastavení koncentrace leptacího roztoku, teploty leptání a rychlosti leptání podle tloušťky měděné fólie. Nadměrná rychlost leptání může vést k nadměrnému zmenšení šířky čáry, zatímco pomalá rychlost leptání může mít za následek neúplné leptání a zbytkovou měděnou fólii ovlivňující impedanci. Současně by mělo být použito zařízení na leptání rozprašováním, aby se zajistilo, že leptací roztok bude rovnoměrně nastříkán na povrch měděné fólie, čímž se zabrání nerovnoměrnému leptání a odchylkám šířky čar v určitých oblastech. Po leptání je třeba zkontrolovat přesnost šířky čáry optickým detekčním zařízením a výrobky, které odchylku překračují, by měly být včas přepracovány nebo sešrotovány.
(3) Kontrola vlivu povlaku pájecí masky a povrchové úpravy
Přestože povlak pájecí masky (zelený olej) a povrchová úprava (jako je imerzní zlato, cínování) přímo neurčují impedanci, nesprávná úprava může stále ovlivnit stabilitu impedance.
Řízení tloušťky vrstvy pájecí masky: Vrstva pájecí masky pokrývá povrch přenosového vedení a její dielektrická konstanta a tloušťka budou mít mírný vliv na impedanci mikropáskového vedení (páskové čáry jsou méně ovlivněny vrstvou pájecí masky, protože jsou obaleny dielektrickou vrstvou). Pokud je tloušťka vrstvy pájecí masky nerovnoměrná, povede to k nekonzistentnímu dielektrickému prostředí kolem mikropáskového vedení, což způsobí lokální kolísání impedance. Proto je během potahování pájecí masky nutné kontrolovat tloušťku nátěru, udržovat odchylku v rozumném rozsahu a vyhýbat se vrstvě pájecí masky pokrývající klíčové oblasti přenosového vedení.
Konzistence povrchové úpravy: Účelem povrchové úpravy je zabránit oxidaci měděné fólie a zajistit spolehlivost svařování, ale tloušťka a rovnoměrnost povrchové úpravy může také ovlivnit odpor přenosového vedení. Pokud je tloušťka zpracovávací vrstvy nerovnoměrná, způsobí to kolísání povrchového odporu přenosového vedení, čímž se ovlivní impedance. Proto je nutné řídit procesní parametry povrchové úpravy, aby bylo zajištěno, že odchylka tloušťky upravované vrstvy je řízena v rozumném rozsahu, při zajištění konzistence prostřednictvím vizuální kontroly a testování tloušťky.
4, Detekce a ověření: Zajistěte přesnost řízení impedance
Detekce a ověření impedance jsou poslední linií obrany pro řízení impedance plošných spojů. Použitím profesionálního vybavení a metod k detekci hodnot impedance skutečných produktů zajišťujeme, že splňují požadavky, a poskytujeme datovou podporu pro optimalizaci procesu.
(1) Zařízení a metody detekce impedance
V současné době je běžným zařízením pro detekci impedance plošných spojů impedanční tester a detekční metody zahrnují především reflektometrii v časové oblasti (TDR) a metodu ve frekvenční oblasti.
Reflektometrie v časové oblasti: TDR vypočítává charakteristickou impedanci na základě odrazu rychle rostoucího pulzního signálu vysílaného do přenosové linky. Tato metoda může vizuálně zobrazit změny impedance v různých bodech přenosového vedení (jako je umístění a amplituda mutací impedance) a je vhodná pro detekci místních abnormalit v impedanci (jako je odchylka šířky vedení a nerovnoměrná tloušťka dielektrika). Během testování je nutné přesně připojit testovací sondu k testovacím bodům na desce plošných spojů, aby byl zajištěn dobrý kontakt, a testovací frekvence by měla pokrývat pracovní rozsah vysoko-frekvenčních a vysokorychlostních- obvodů.
Metoda ve frekvenční oblasti: Metoda ve frekvenční oblasti vypočítává charakteristickou impedanci měřením parametrů rozptylu přenosového vedení na různých frekvencích. Tato metoda dokáže analyzovat kolísání impedance s frekvencí a je vhodná pro vyhodnocení impedanční stability desek plošných spojů v celém rozsahu pracovních frekvencí.
(2) Analýza detekčních dat a optimalizace procesu
Detekce impedance není konečným bodem, ale spíše odhalením problémů v procesu prostřednictvím analýzy dat a optimalizace parametrů procesu. Pokud je například impedance mikropáskového vedení u šarže desek plošných spojů obecně shledána nízkou, je nutné zkontrolovat, zda se nevyskytují problémy, jako je příliš velká šířka vedení, příliš malá tloušťka dielektrika nebo příliš vysoká dielektrická konstanta substrátu. Po nalezení hlavní příčiny problému upravte odpovídající parametry procesu. Současně je nutné vytvořit databázi detekce impedance, která bude zaznamenávat detekční data každé šarže desek s plošnými spoji, shrnout korelaci mezi parametry procesu a impedancí pomocí statistické analýzy a vytvořit standardizovaný plán řízení procesu pro neustálé zlepšování přesnosti řízení impedance.