Při přizpůsobování vysokofrekvenčních desek je dosažení kontroly impedance ± 5 % považováno za špičkový procesní předěl v průmyslu PCB a není běžným požadavkem pro běžné továrny na výrobu desek pro dosažení stabilní hromadné výroby. Hlavní problém spočívá v komprimaci všech proměnných, které ovlivňují kolísání impedance, do extrémního rozsahu s téměř nulovou rezervou, což vyžaduje extrémně vysoké možnosti řízení v průběhu celého procesu.
Umístění v oboru a obtížnost benchmarku
Konvenční úroveň řízení impedance běžných továren na desky plošných spojů je pouze ± 10 % a schopnost dosáhnout ± 8 % již naznačuje určitou úroveň technologické síly.
Tolerance impedance ± 5 % odpovídá vysoce výkonné úrovni třídy 2/třídy 3 podle standardu vysokofrekvenčních desek IPC-6018 a počet továren na desky, které mohou stabilně vyrábět tuto přesnost, je méně než 30 % konvenčních továren na desky plošných spojů.
Tato přesnost je ekvivalentní požadavku, aby chyba rychlosti jízdy vozidla během celého procesu nepřesáhla 1 km/h: není nemožné toho dosáhnout, ale každý výrobní proces musí být přesný na mikrometrovou úroveň a každé malé opomenutí přímo povede k impedanci překračující normu.
Základní technické potíže
Hodnota impedance je určena čtyřmi hlavními proměnnými: dielektrická konstanta (Dk), tloušťka dielektrika, šířka vedení a tloušťka mědi. Požadavek tolerance ± 5 % téměř úplně zablokuje toleranční prostor všech proměnných
Na straně materiálu může rozsah kolísání Dk šarže pro běžnou desku FR-4 dosáhnout 3%~5% a samotný materiál téměř zabírá celou toleranci impedance. Musí být vybrány specializované vysokofrekvenční desky s tolerancí Dk řízenou v rozmezí ± 0,02~0,05 (jako je řada Rogers a Isola) a běžné FR-4 nemohou požadavky vůbec splňovat.
Kontrola šířky čáry: Konvenční proces má chybu šířky čáry asi ± 20 μm. Pro dosažení ± 5% impedance musí být tolerance šířky vedení stlačena na ± 5-10 μm. Zcela se spoléhá na LDI laserové přímé zobrazovací zařízení k odstranění odchylky deformace filmu a běžné expoziční procesy nemohou splnit požadavky na přesnost.
Proces lisování: Kolísání toku polovytvrzeného plechu (PP) přímo změní tloušťku média. Odchylka tloušťky média v konvenčních procesech je ± 10 % a musí být řízena v rozmezí ± 3 %, jinak se impedance posune přímo mimo rozsah.
Úplné vyčerpání marže odkazu: Jakékoli mírné kolísání v kterékoli ze čtyř proměnných přímo spotřebuje všechny tolerance a ponechá téměř nulový prostor pro úpravy v následujících fázích.
Další výzvy pro implementaci hromadné výroby
Kromě přesnosti procesu vyžaduje stabilní hromadná výroba s impedancí ± 5 % také prolomení několika implicitních prahových hodnot:
Významné zvýšení nákladů: Upgrade řízení impedance z ± 10 % na ± 5 % zvýší celkové výrobní náklady PCB o 20 % až 100 % a odpisy vysokofrekvenčních materiálů, vysoce přesných zařízení a úplných kontrolních procesů, to vše povede ke zvýšení nákladů.
Udržování konzistence šarže je extrémně obtížné: mnoho továren na výrobu desek může vyrobit malý počet kvalifikovaných vzorků, ale druhá šarže se může posunout o ± 8 % nebo více. Musí být vytvořena kompletní „karta procesu řízení impedance“ pro měření Dk každé šarže desek, dynamické nastavení parametrů leptání a zaznamenávání parametrů lisování desku po desce, aby byla zajištěna stabilita mezi dávkami.
Práh pro testování a ověřování je vysoký: TDR reflektometr v časové oblasti nebo dokonce vektorový síťový analyzátor musí být vybaven pro úplnou kontrolu namísto rutinního vzorkování. Délka testovacího proužku musí být větší nebo rovna 3 palcům a šířka čáry průřezu vodiče se musí měřit metalografickou metodou, aby se zabránilo lichoběžníkovým chybám v povrchových optických měřeních.
Rozdíly v obtížnosti v různých scénářích
Pro scénáře, jako jsou komunikační základnové stanice pod 6 GHz a 5G RF front-end, je ± 5 % průchozí čára pro průmyslový přístup, což patří ke konvenčním špičkovým schopnostem výrobců vysokofrekvenčních desek.
Pro scénáře s milimetrovými vlnami/ultravysokou rychlostí, jako je 77GHz milimetrový radar namontovaný na vozidle a optické moduly 800G, již ± 5 % nestačí ke splnění požadavků na výkon. Průmysl obecně vyžaduje kontrolu impedance v rozmezí ± 3 % a ± 5 % zde lze považovat pouze za vstupní přesnost.