В областта на високо-честотните и високо{1}}скоростните вериги характеристиките на импеданса на PCB директно определят целостта и стабилността на предаването на сигнала. Несъответствието на импеданса може да причини проблеми като отражение на сигнала, затихване, пресичане и в тежки случаи дори да доведе до повреда на цялата електрическа система. Поради това технологията за контрол на импеданса на печатни платки се превърна в основната връзка за осигуряване на производителността на високо-честотни и високо-скоростни вериги.
1, Основно разбиране за управление на импеданса на печатни платки
Основната цел на контрола на импеданса е да поддържа характеристичния импеданс на предавателните линии на печатни платки в съответствие с импеданса на устройствата, свързани в двата края, за да се минимизира загубата на енергия и смущенията на сигналите по време на предаване. Характерният импеданс не е единична стойност на съпротивлението, а комплексен импеданс, определен от разпределеното съпротивление, разпределения капацитет и разпределената индуктивност на предавателната линия. Големината му е тясно свързана с физическата структура, характеристиките на материала и технологията на процеса на платката.
При сценарии с висока-честота и висока{1}}скорост (като 5G комуникация, сървъри, космическа електроника и т.н.) дължината на вълната на сигнала се скъсява и въздействието на параметрите на разпределение на предавателната линия върху сигнала бързо се усилва. Изискванията за точност на контрола на импеданса са изключително високи, а в някои сурови сценарии изискванията за точност са дори по-строги, което поставя изключително високи изисквания към следващите технически процеси.
2, Основни влияещи фактори: свойства на материала и структурни параметри
(1) Избор на субстрат и мед-покритие
Субстратът и медното фолио са основните материални носители, които определят характеристиките на импеданса на печатната платка и техните работни параметри пряко влияят върху точността на управление на импеданса.
Диелектрична константа на субстрата: Диелектричната константа е един от ключовите параметри на субстрата, а характеристичният импеданс е обратно пропорционален на корен квадратен от диелектричната константа. Малките колебания в диелектричната константа могат директно да причинят изместване на импеданса. Диелектричната константа на различните типове субстрати варира значително и субстратите с ниска диелектрична константа обикновено се използват в сценарии с висока-честота и висока{3}}скорост, които са по-подходящи за предаване на сигнал с ниска загуба. При практически приложения е необходимо да се избере субстрат със стабилна диелектрична константа и нисък температурен коефициент според работната честота на веригата, за да се избегнат колебания в диелектричната константа, причинени от промени в температурата на околната среда, което може да повлияе на стабилността на импеданса.
Дебелината и грапавостта на медното фолио: Дебелината на медното фолио пряко влияе върху разпределеното съпротивление на преносните линии. Колкото по-малка е дебелината, толкова по-голямо е разпределеното съпротивление и толкова по-значително е въздействието върху импеданса. Високочестотните и високо{2}}скоростните печатни платки обикновено използват тънко медно фолио за намаляване на загубата на сигнал, причинена от скин-ефекта. Междувременно грапавостта на повърхността на медното фолио също може да повлияе на предаването на сигнала. Колкото по-голяма е грапавостта, толкова по-сериозна е загубата на разсейване на сигнала по време на предаване, особено при сценарии с висока-честота. Влиянието на грапавостта на повърхността върху импеданса не може да бъде пренебрегнато. Следователно е необходимо да се избере електролитно медно фолио или валцувано медно фолио с ниска грапавост на повърхността, за да се осигури стабилност на импеданса.
(2) Точен контрол на структурните параметри на преносната линия
Физическите структурни параметри на преносните линии са ядрото, определящо характеристичния импеданс, включително главно ширина на линията, разстояние между линиите и дебелина на диелектрика (разстоянието между преносната линия и референтната равнина). Различните структури на предавателни линии (като микролентови линии, лентови линии и диференциални линии) изискват прецизен контрол за различни параметри.
Микролентова линия: Микролентовата линия е обща структура на предавателна линия на повърхността на печатна платка, състояща се от сигнални линии, субстрат (диелектричен слой) и референтна равнина (земя или захранващ слой) отдолу. Неговият характерен импеданс е свързан главно с ширината на линията, дебелината на диелектрика и диелектричната константа на субстрата. В производствения процес точността на контрол на ширината на линията и дебелината на диелектрика е изключително висока, в противен случай е лесно да се предизвика изместване на импеданса и да се надвишат изискванията за точност.
Лентова линия: Лентовата линия е разположена вътре в печатната платка и е обвита от две референтни равнини. Сигналната линия е заобиколена от диелектричен слой и нейният характерен импеданс не е свързан само с ширината на линията и диелектричната константа на субстрата, но също и с разстоянието между горната и долната референтни равнини и разстоянието между сигналната линия и горната и долната референтни равнини. Поради пълното обвиване на лентовата линия от диелектричния слой, сигналът се влияе по-малко от външни смущения, но трудността при контролиране на дебелината на диелектричния слой по време на производствения процес е по-голяма. Необходимо е да се осигури еднородност на дебелината на диелектричния слой след ламиниране, за да се избегне изместването на импеданса, причинено от неравномерна дебелина.
Диференциална линия: Диференциалната линия се състои от две успоредни сигнални линии, които намаляват смущенията в общ режим чрез предаване на диференциален сигнал. Неговото управление на импеданса включва характеристичен импеданс (импеданс с един край) и диференциален импеданс (импеданс между две сигнални линии). Диференциалният импеданс обикновено има фиксирана пропорционална връзка с единичния импеданс, свързан главно с ширината на линията, разстоянието между линиите и дебелината на диелектрика. Контролната точност на разстоянието между редовете е строго задължителна. Ако отклонението на разстоянието между редовете е твърде голямо, това ще доведе до отклонение на диференциалния импеданс от зададената стойност, което ще повлияе на целостта на диференциалния сигнал.
3, Ключова технология за управление: Оптимизация на процеса
Процесът на производство на печатни платки е ключова стъпка в преобразуването на параметрите в действителни продукти, от рязане на субстрата, ламиниране, графичен трансфер до ецване, покритие на маска за запояване. Всяка стъпка от процеса може да повлияе на точността на импеданса и изисква прецизен контрол, за да се осигури стабилност на импеданса.
(1) Прецизен контрол на процеса на ламиниране
Процесът на ламиниране е процесът на ламиниране на множество слоеве от субстрат и медно фолио в едно, което директно определя равномерността и стабилността на дебелината на диелектрика и е един от основните процеси за контрол на импеданса.
Съвместен контрол на налягането и температурата: Разумните криви на налягане и температура (скорост на нагряване, температура на изолация, време на изолация) трябва да бъдат зададени според характеристиките на субстрата по време на ламиниране. Ако налягането е недостатъчно, може да има празнини между субстрата и медното фолио, което води до неравномерна дебелина на средата; Ако температурата е твърде висока или времето за изолация е твърде дълго, субстратът може да претърпи прекомерно втвърдяване, което води до промяна в диелектричната константа и повлияване на импеданса. Необходим е мониторинг в реално време, за да се гарантира, че отклоненията в температурата и налягането се контролират в разумен диапазон.
Контрол на подравняването на ламиниране: При ламиниране на много{0}}слойни печатни платки, подравняването на предавателната линия на всеки слой с референтната равнина пряко влияе върху консистенцията на средната дебелина. Ако отклонението на подравняването е твърде голямо, това ще доведе до по-тънка или по-дебела дебелина на диелектрика в някои области, което води до локално изместване на импеданса. Следователно трябва да се използва оборудване за позициониране с висока-прецизност, за да се гарантира, че отклонението на подравняването на ламинирането се контролира в рамките на разумен диапазон. В същото време, след ламиниране, подравняването между слоевете трябва да се провери от професионално оборудване за тестване, за да се отстранят незабавно неквалифицираните продукти.
(2) Усъвършенстване на процесите на графичен трансфер и ецване
Графичният трансфер е процесът на прехвърляне на зададената графика на предавателната линия върху медно фолио, докато ецването премахва излишното медно фолио, за да се образува крайната предавателна линия. Тези два процеса директно определят точността на ширината на линията, което от своя страна влияе върху импеданса.
Прецизен контрол на графичния трансфер: Графичният трансфер обикновено приема процес на фотолитография, включващ три стъпки на покритие, експониране и проявяване. При нанасяне на фоторезист е необходимо да се гарантира, че дебелината на фоторезиста е еднаква, за да се избегне размазване на краищата на шаблона след експониране поради неравномерна дебелина на фоторезиста; По време на експозицията е необходимо да се контролира енергията на експозицията и точността на експозицията. Трябва да се използва високо{2}}прецизна експонираща машина, за да се гарантира, че отклонението между ширината на графичната линия и зададената стойност се контролира в рамките на разумен диапазон; По време на развитието е необходимо да се контролира времето и температурата на развитие, за да се избегне недостатъчно или прекомерно развитие.
Оптимизиране на параметрите на процеса на ецване: Процесът на ецване изисква настройка на концентрацията на разтвора за ецване, температурата на ецване и скоростта на ецване според дебелината на медното фолио. Прекомерната скорост на ецване може да доведе до прекомерно намаляване на ширината на линията, докато бавната скорост на ецване може да доведе до непълно ецване и остатъчно медно фолио, което да повлияе на импеданса. В същото време трябва да се използва оборудване за ецване със спрей, за да се гарантира, че разтворът за ецване е равномерно напръскан върху повърхността на медното фолио, като се избягват неравномерно ецване и отклонение на ширината на линията в определени области. След ецване, точността на ширината на линията трябва да бъде проверена чрез оборудване за оптично откриване и продуктите, които надвишават отклонението, трябва да бъдат преработени или бракувани своевременно.
(3) Контрол на влиянието на покритието на спояващата маска и повърхностната обработка
Въпреки че покритието на маската за запояване (зелено масло) и обработката на повърхността (като имерсионно злато, калайдисване) не определят директно импеданса, неправилното третиране все още може да повлияе на стабилността на импеданса.
Контрол на дебелината на слоя маска за спояване: Слоят маска за запояване покрива повърхността на предавателната линия и неговата диелектрична константа и дебелина ще имат леко влияние върху импеданса на микролентовата линия (лентовите линии са по-малко засегнати от слоя маска за запояване поради това, че са обвити от диелектричния слой). Ако дебелината на слоя маска за запояване е неравномерна, това ще доведе до непоследователна диелектрична среда около микролентовата линия, като по този начин ще причини локални колебания на импеданса. Следователно, по време на нанасяне на маска за запояване е необходимо да се контролира дебелината на покритието, да се поддържа отклонението в разумен диапазон и да се избягва слоят маска за запояване да покрива ключови области на предавателната линия.
Последователност на повърхностната обработка: Целта на повърхностната обработка е да се предотврати окисляването на медно фолио и да се осигури надеждност на заваряването, но дебелината и еднородността на третирания слой също могат да повлияят на съпротивлението на предавателната линия. Ако дебелината на обработващия слой е неравномерна, това ще причини колебания в повърхностното съпротивление на преносната линия, като по този начин ще повлияе на импеданса. Следователно е необходимо да се контролират параметрите на процеса на повърхностна обработка, за да се гарантира, че отклонението на дебелината на третирания слой се контролира в разумен диапазон, като същевременно се гарантира последователност чрез визуална проверка и тестване на дебелината.
4, Откриване и проверка: Осигурете точност на контрола на импеданса
Откриването и проверката на импеданса са последната линия на защита за управление на импеданса на печатни платки. Използвайки професионално оборудване и методи за откриване на стойностите на импеданса на действителните продукти, ние гарантираме, че те отговарят на изискванията и осигуряваме поддръжка на данни за оптимизиране на процеса.
(1) Оборудване и методи за откриване на импеданс
Понастоящем основното оборудване за откриване на импеданс на печатни платки е тестер за импеданс, а методите за откриване включват главно рефлектометрия във времева област (TDR) и метод на честотна област.
Рефлектометрия във времева област: TDR изчислява характеристичния импеданс въз основа на отражението на бързо нарастващ импулсен сигнал, изпратен към предавателната линия. Този метод може визуално да показва промените на импеданса в различни точки на предавателната линия (като местоположението и амплитудата на импедансните мутации) и е подходящ за откриване на локални аномалии в импеданса (като отклонение на ширината на линията и неравномерна дебелина на диелектрика). По време на тестването е необходимо да свържете точно тестовата сонда към тестовите точки на печатната платка, за да осигурите добър контакт, а честотата на тестване трябва да покрива работния диапазон на високо-честотни и високо-скоростни вериги.
Метод на честотната област: Методът на честотната област изчислява характеристичния импеданс чрез измерване на параметрите на разсейване на предавателната линия при различни честоти. Този метод може да анализира промяната на импеданса с честотата и е подходящ за оценка на стабилността на импеданса на печатни платки в целия работен честотен диапазон.
(2) Анализ на данните за откриване и оптимизация на процеса
Откриването на импеданс не е крайната точка, а по-скоро откриването на проблеми в процеса чрез анализ на данни и оптимизиране на параметрите на процеса. Например, ако импедансът на микролентовата линия на партида печатни платки обикновено е нисък, е необходимо да се провери дали има проблеми като твърде голяма ширина на линията, твърде малка дебелина на диелектрика или твърде висока диелектрична константа на субстрата. След като откриете основната причина за проблема, коригирайте съответните параметри на процеса. В същото време е необходимо да се създаде база данни за откриване на импеданс, за да се записват данните за откриване на всяка партида печатни платки, да се обобщи корелацията между параметрите на процеса и импеданса чрез статистически анализ и да се формира стандартизиран план за контрол на процеса за непрекъснато подобряване на точността на контрола на импеданса.