Výkon desek plošných spojů jako klíčový nosič elektronických systémů přímo ovlivňuje stabilitu a spolehlivost celého systému. Řízení impedance desek s plošnými spoji je základní technologií, která zajišťuje integritu vysoko-rychlostních a vysokofrekvenčních{2}}signálů elektronických obvodů.
1, Co je impedance desek plošných spojů
Impedance je komplexním odrazem efektu blokování proudu obvodu. V mikroskopickém světě přenosových linek desek plošných spojů se skládá z distribuovaných rezistorů, kondenzátorů a induktorů. Když signál překračuje rychlost na přenosové lince, pokud impedance přenosové linky neodpovídá impedanci zdroje signálu a zátěže, je to jako náhlé zúžení silnice nebo výskyt překážek. Signál se bude odrážet a původně pravidelný tvar vlny signálu bude vykazovat jevy zkreslení, jako je překmit, podkmit a zvonění. Současně se bude síla signálu během přenosu dále snižovat, což znesnadňuje přijímací stanici přesné rozpoznání signálu, což v konečném důsledku ovlivní normální provoz celého systému obvodů. Například v obvodech rozhraní USB 3.0 pro vysokorychlostní přenos dat, pokud je řízení impedance desek plošných spojů nesprávné, může dojít k chybám přenosu dat a dokonce ani data nelze přenášet normálně.
2, Hloubková analýza klíčových faktorů ovlivňujících impedanci desek plošných spojů
Vliv geometrických parametrů přenosových vedení
Geometrické parametry přenosových vedení jsou jako "formy", které tvarují impedanci a mají na ně přímý a významný vliv. Šířka čáry je jedním z citlivých parametrů. Obecně řečeno, čím širší je šířka vedení, tím větší je plocha průřezu přenosového vedení, tím nižší je odpor a tím větší je meziřádková kapacita a indukčnost, což vede ke snížení charakteristické impedance; Naopak, čím užší je šířka vedení, tím vyšší je charakteristická impedance. Vezmeme-li jako příklad běžné přenosové vedení s impedancí 50 Ω, v deskách s plošnými spoji se specifickou vrstvenou strukturou a materiálem může být nutné přesně řídit šířku vedení kolem 0,15 mm, aby byly splněny požadavky na impedanci.
Změnu délky řádku nelze ignorovat. Se zvyšující se délkou vedení se zvyšuje kumulativní účinek odporu, kapacity a indukčnosti, kterému signál během přenosu čelí, což vede nejen ke zvýšenému útlumu signálu, ale také ke změnám charakteristické impedance. Ve vysokofrekvenčních-okruzích jsou příliš dlouhé přenosové linky jako dlouhé a členité silnice, což způsobuje vážné ztráty signálu během přenosu a snadno vede k problémům s integritou signálu.
Rozteč vedení jako důležitá složka geometrických parametrů přenosových vedení ovlivňuje kapacitu a vzájemnou indukčnost mezi vedeními. Vhodné rozestupy linek mohou snížit přeslechy mezi linkami, zajistit čistotu signálu a také ovlivnit charakteristickou impedanci. Větší rozteč vedení sníží kapacitu a vzájemnou indukčnost mezi vedeními a zvýší charakteristickou impedanci; Menší rozestup řádků sníží charakteristickou impedanci, ale může zvýšit riziko přeslechů.
Rozhodující role materiálových charakteristik desek plošných spojů
Materiálové charakteristiky desek plošných spojů jsou vnitřními určujícími faktory impedance. Dielektrická konstanta je nepřímo úměrná impedanci. Čím větší je dielektrická konstanta, tím větší je kapacita přenosového vedení a tím nižší je charakteristická impedance. Dielektrická konstanta různých typů desek plošných spojů se výrazně liší. Například dielektrická konstanta běžných desek FR-4 je obecně mezi 4,2-4,6, což je vhodné pro nízkofrekvenční a cenově citlivé obvody; Vysokofrekvenční polytetrafluorethylen (PTFE) má nižší dielektrickou konstantu, obvykle mezi 2,2-2,6, a běžně se používá v oblastech, jako je vysokofrekvenční komunikace, která vyžaduje extrémně vysokou kvalitu přenosu signálu.
Úhel dielektrické ztráty odráží stupeň ztráty energie desky plošných spojů působením střídavého elektrického pole. Ve vysoko-frekvenčních obvodech je velký úhel dielektrické ztráty jako „energetická černá díra“, která spotřebuje velké množství energie signálu a vede k zesílenému útlumu signálu. Proto je při návrhu vysokofrekvenčních obvodů klíčem k zajištění kvality signálu výběr desky s nízkou dielektrickou ztrátou.
Důležitou roli hrají 3 referenční roviny
Referenční rovina hraje nepostradatelnou roli v řízení impedance desek plošných spojů. Vzdálenost mezi přenosovým vedením a referenční rovinou má přímý vliv na impedanci. Čím bližší je vzdálenost, tím větší je kapacita a tím nižší je charakteristická impedance; Naopak, čím vyšší je charakteristická impedance. Při navrhování svazků desek plošných spojů je nutné přesně řídit vzdálenost mezi přenosovým vedením a referenční rovinou podle požadavků na impedanci pro dosažení cílové impedance.
Důležitá je také integrita referenční roviny. Pokud jsou v referenční rovině nespojitosti nebo dělení, stejně jako rozbitá silnice, může to způsobit změny v rozložení proudu přenosového vedení, a tím změnit impedanci. Například u desek plošných spojů pro vysokorychlostní přenos signálu, pokud jsou v zemní ploše mezery, ovlivní to zpětnou cestu přenosového vedení, což způsobí kolísání impedance a vážně ovlivní integritu signálu.
3, Realizovat řízení impedance desek plošných spojů ve všech aspektech
1. Pečlivě naplánovaná fáze rozvržení
Fáze návrhu je výchozím bodem a fází plánování návrhu pro implementaci řízení impedance desek s plošnými spoji. Základem je rozumné uspořádání stohování, které vyžaduje komplexní zvážení uspořádání signálové vrstvy, výkonové vrstvy a zemní vrstvy, stejně jako výběr tloušťky dielektrika a materiálů mezi každou vrstvou. K zajištění jednotné vzdálenosti mezi vrstvou signálu a referenční rovinou se obvykle používá symetrická vrstvená struktura, která poskytuje stabilní prostředí pro přenos signálu. Například při navrhování čtyřvrstvé desky lze výkonovou vrstvu a zemní vrstvu umístit do prostředních dvou vrstev a horní a spodní vrstvu lze použít jako signálové vrstvy. Přiměřeným nastavením tloušťky dielektrika mezi každou vrstvou lze dosáhnout předběžného řízení impedance.
Přesný výpočet šířky čar a mezer je jedním z hlavních úkolů ve fázi plánování. Pomocí profesionálních nástrojů pro výpočet impedance, jako jsou PolarSI9000, HyperLynx atd., lze přesně vypočítat šířku vedení a rozteč přenosových vedení na základě charakteristik materiálů desek s plošnými spoji, vrstvených struktur a očekávaných hodnot impedance. V procesu výpočtu je také nutné plně zohlednit vliv výrobních tolerancí, vyhradit si příslušné rezervy a zajistit, aby skutečně vyrobené desky plošných spojů odpovídaly impedančním požadavkům.
U diferenčních signálů široce používaných ve vysokorychlostních obvodech- vyžaduje jejich konstrukce přísnější kontrolu. Pro přísnou kontrolu šířky vedení, vzdálenosti a délky přizpůsobení diferenciálních párů je diferenciální impedance obecně navržena na 100 Ω. Použitím serpentinového směrování a dalších metod pro úpravu délky diferenciálních párů jsou délky dvou přenosových vedení co nejvíce stejné, čímž se snižují rozdíly ve zpoždění přenosu signálu a zajišťuje se integrita diferenciálních signálů.
2 .Přísně kontrolované výrobní fáze
Výrobní fáze je zásadním krokem při přeměně návrhových plánů na skutečné produkty a hraje rozhodující roli při řízení impedance desek s plošnými spoji. Z hlediska výběru materiálu je nutné volit desky s přesnou a stabilní dielektrickou konstantou a nízkou dielektrickou ztrátou, aby bylo zaručeno řízení impedance ze zdroje. Zároveň je nutné přísně kontrolovat kvalitu desky, aby nedocházelo ke kolísání výkonu způsobenému rozdíly v materiálových sériích.
Technologie přesného obrábění je jádrem výrobní fáze. Proces leptání přímo určuje přesnost šířky čáry a kvalitu hran přenosového vedení, což vyžaduje přesnou kontrolu parametrů, jako je doba leptání, koncentrace leptacího roztoku a teplota, aby se zabránilo odchylce šířky čáry způsobené nadměrným nebo nedostatečným leptáním. Proces laminace ovlivňuje rovnoměrnost střední tloušťky. Během procesu laminace je nutné přísně kontrolovat parametry, jako je tlak, teplota a čas, aby se zabránilo výskytu bublin a nečistot, a zajistit, aby vrstvy pevně přilnuly a aby byla tloušťka média konzistentní. Proces galvanického pokovování souvisí s vodivostí a korozní odolností přenosových vedení. Přesné řízení doby galvanizace, proudové hustoty a dalších parametrů zajišťuje rovnoměrnou tloušťku povlaku a zlepšuje elektrický výkon přenosových vedení. Kromě toho, vzhledem k nevyhnutelné existenci tolerancí ve výrobním procesu, jako jsou tolerance šířky čáry, tolerance tloušťky dielektrika atd., je nutné kompenzovat výrobní tolerance během fáze návrhu. Vhodnou úpravou konstrukčních parametrů lze snížit dopad výrobních tolerancí na impedanci.
3. přísné a pečlivé fáze testování a ověřování
Po dokončení výroby desek plošných spojů jsou poslední kroky k zajištění shody impedance testování a ověřování. Reflektometr časové domény (TDR) je běžně používaný přístroj na testování impedance, který dokáže rychle a přesně vypočítat hodnotu impedance přenosového vedení a umístění nespojitostí impedance odesíláním vysokorychlostních pulzních signálů do přenosového vedení a měřením odražených signálů. Síťové analyzátory se používají hlavně k měření S-parametrů RF a mikrovlnných obvodů. Analýzou a výpočtem S-parametrů se získávají impedanční charakteristiky přenosových vedení na různých frekvencích, což poskytuje podrobné informace pro testování impedance vysokofrekvenčních obvodů.
Po získání výsledků testu je nutná-hloubková analýza. Pokud se výsledky testu odchylují od návrhových hodnot v přípustném rozsahu, znamená to, že řízení impedance desek plošných spojů splňuje požadavky; Pokud odchylka překročí povolený rozsah, je nutné pečlivě prozkoumat příčinu, která může zahrnovat chyby ve výpočtech návrhu, odchylky výrobního procesu, kolísání materiálového výkonu atd. Proveďte odpovídající optimalizační opatření z různých důvodů, jako je úprava konstrukčních parametrů, zlepšení výrobních procesů nebo výměna materiálů, a znovu proveďte testování impedance, dokud výsledky testu nesplní požadavky návrhu.