У сфері високо{0}}частотних і високо{1}}швидкісних ланцюгів імпедансні характеристики друкованої плати безпосередньо визначають цілісність і стабільність передачі сигналу. Невідповідність імпедансу може спричинити такі проблеми, як відбиття сигналу, загасання, перехресні перешкоди, а в серйозних випадках навіть призвести до відмови всієї системи схеми. Таким чином, технологія контролю імпедансу друкованих плат стала основною ланкою для забезпечення продуктивності високо-частотних і високо{5}}швидкісних схем.
1, Базове розуміння контролю імпедансу друкованої плати
Основною метою контролю імпедансу є підтримка характеристичного опору ліній передачі друкованої плати відповідно до опору пристроїв, підключених на обох кінцях, щоб мінімізувати втрати енергії та перешкоди сигналів під час передачі. Характеристичний опір - це не одне значення опору, а комплексний опір, який визначається розподіленим опором, розподіленою ємністю та розподіленою індуктивністю лінії передачі. Його величина тісно пов’язана з фізичною структурою, характеристиками матеріалу та технологічним процесом друкованої плати.
У високо-частотних і високо{1}}швидкісних сценаріях (таких як зв’язок 5G, сервери, аерокосмічна електроніка тощо) довжина хвилі сигналу вкорочується, а вплив параметрів розподілу лінії передачі на сигнал швидко посилюється. Вимоги до точності контролю імпедансу надзвичайно високі, а в деяких суворих сценаріях вимоги до точності ще суворіші, що висуває надзвичайно високі вимоги до наступних технічних процесів.
2. Основні фактори впливу: властивості матеріалу та структурні параметри
(1) Вибір підкладки та мідного -покриття
Підкладка та мідна фольга є основними матеріальними носіями, які визначають характеристики імпедансу друкованої плати, і їх робочі параметри безпосередньо впливають на точність керування імпедансом.
Діелектрична проникність підкладки: діелектрична проникність є одним із ключових параметрів підкладки, а характеристичний опір обернено пропорційний квадратному кореню з діелектричної проникності. Невеликі коливання діелектричної проникності можуть безпосередньо спричинити зсув імпедансу. Діелектрична проникність різних типів підкладок значно відрізняється, і підкладки з низькою діелектричною проникністю зазвичай використовуються у високо-частотних і-швидкісних сценаріях, які більше підходять для передачі сигналу з низькими втратами. У практичних застосуваннях необхідно вибрати підкладку зі стабільною діелектричною проникністю та низьким температурним коефіцієнтом відповідно до робочої частоти ланцюга, щоб уникнути коливань діелектричної проникності, спричинених змінами температури навколишнього середовища, які можуть вплинути на стабільність імпедансу.
Товщина та шорсткість мідної фольги: товщина мідної фольги безпосередньо впливає на розподілений опір ліній електропередачі. Чим менша товщина, тим більший розподілений опір і тим суттєвіший вплив на імпеданс. На високочастотних і високо{2}}швидкісних друкованих платах зазвичай використовується тонка мідна фольга, щоб зменшити втрати сигналу, спричинені скін-ефектом. Тим часом, шорсткість поверхні мідної фольги також може впливати на передачу сигналу. Чим більша шорсткість, тим сильніші втрати сигналу на розсіювання під час передачі, особливо у високо-частотних сценаріях. Не можна ігнорувати вплив шорсткості поверхні на імпеданс. Тому для забезпечення стабільності імпедансу необхідно вибирати електролітичну мідну фольгу або рулонну мідну фольгу з низькою шорсткістю поверхні.
(2) Точний контроль структурних параметрів лінії електропередачі
Фізичні структурні параметри ліній передачі є ядром, що визначає характеристичний імпеданс, головним чином включаючи ширину лінії, відстань між лініями та товщину діелектрика (відстань між лінією передачі та базовою площиною). Різні структури ліній передачі (такі як мікрополоскові лінії, смугові лінії та диференціальні лінії) вимагають точного керування різними параметрами.
Мікрополоскова лінія: мікрополоскова лінія — це звичайна структура лінії передачі на поверхні друкованої плати, що складається з сигнальних ліній, підкладки (шар діелектрика) і базової площини (шар заземлення або живлення) знизу. Його характеристичний опір в основному пов'язаний з шириною лінії, товщиною діелектрика та діелектричною проникністю підкладки. У процесі виробництва точність контролю ширини лінії та товщини діелектрика надзвичайно висока, інакше можна легко спричинити зсув імпедансу та перевищити вимоги до точності.
Стрічкова лінія: стрічкова лінія розташована всередині друкованої плати та обгорнута двома опорними площинами. Сигнальна лінія оточена шаром діелектрика, і її характеристичний опір пов’язаний не тільки з шириною лінії та діелектричною проникністю підкладки, але також з відстанню між верхньою та нижньою опорними площинами та відстанню між сигнальною лінією та верхньою та нижньою опорними площинами. Завдяки повному обгортанню смужки діелектричним шаром сигнал менше піддається впливу зовнішніх перешкод, але складніше контролювати товщину діелектричного шару в процесі виготовлення. Необхідно забезпечити рівномірність товщини шару діелектрика після ламінування, щоб уникнути зсуву імпедансу, викликаного нерівномірною товщиною.
Диференціальна лінія: диференціальна лінія складається з двох паралельних сигнальних ліній, які зменшують синфазні перешкоди через передачу диференціального сигналу. Контроль повного опору включає характеристичний (односторонній) і диференціальний (імпеданс між двома сигнальними лініями). Диференціальний імпеданс зазвичай має фіксоване пропорційне співвідношення з одностороннім імпедансом, головним чином пов’язаним із шириною лінії, міжрядковим інтервалом і товщиною діелектрика. Контроль точності міжрядкового інтервалу суворо необхідний. Якщо відхилення міжрядкового інтервалу занадто велике, це спричинить відхилення диференціального імпедансу від заданого значення, що вплине на цілісність диференціального сигналу.
3, Ключова технологія контролю: оптимізація процесу
Процес виготовлення друкованої плати є ключовим кроком у перетворенні параметрів у реальні продукти, від різання підкладки, ламінування, перенесення графіки до травлення, покриття паяльної маски. Кожен етап процесу може впливати на точність імпедансу та вимагає точного контролю для забезпечення стабільності імпедансу.
(1) Точний контроль процесу ламінування
Процес ламінування — це процес ламінування кількох шарів підкладки та мідної фольги в один, що безпосередньо визначає однорідність і стабільність товщини діелектрика, і є одним із основних процесів контролю імпедансу.
Спільний контроль тиску та температури: обґрунтовані криві тиску та температури (швидкість нагрівання, температура ізоляції, час ізоляції) повинні бути встановлені відповідно до характеристик основи під час ламінування. Якщо тиск недостатній, між підкладкою та мідною фольгою можуть бути зазори, що призведе до нерівномірної товщини середовища; Якщо температура занадто висока або час ізоляції занадто довгий, підкладка може зазнати надмірного затвердіння, що призведе до зміни діелектричної проникності та впливу на імпеданс. Необхідний моніторинг у режимі реального часу, щоб переконатися, що відхилення температури та тиску контролюються в розумному діапазоні.
Контроль вирівнювання ламінування: під час ламінування багато{0}}шарових друкованих плат вирівнювання лінії передачі кожного шару з базовою площиною безпосередньо впливає на консистенцію середньої товщини. Якщо відхилення вирівнювання занадто велике, це призведе до того, що товщина діелектрика в деяких областях стане тоншою або товщою, що призведе до локального зсуву імпедансу. Тому слід використовувати високо{3}}обладнання для позиціонування, щоб гарантувати, що відхилення від вирівнювання ламінування контролюється в прийнятному діапазоні. У той же час, після ламінування, вирівнювання між шарами повинно бути перевірено професійним випробувальним обладнанням для швидкого видалення некваліфікованих продуктів.
(2) Удосконалення процесів графічного перенесення та травлення
Графічне перенесення — це процес перенесення заданої графіки лінії передачі на мідну фольгу, тоді як травлення видаляє надлишок мідної фольги для формування остаточної лінії передачі. Ці два процеси безпосередньо визначають точність ширини лінії, що, у свою чергу, впливає на імпеданс.
Контроль точності графічного перенесення: Графічне перенесення зазвичай використовує процес фотолітографії, включаючи три етапи покриття, експонування та проявлення. При нанесенні фоторезисту необхідно стежити за рівномірною товщиною фоторезисту, щоб уникнути розмиття країв малюнка після експонування через неоднакову товщину фоторезисту; Під час експозиції необхідно контролювати енергію експозиції та точність експозиції. Слід використовувати-високоточний експонуючий апарат, щоб гарантувати, що відхилення між шириною лінії графіка та встановленим значенням контролюється в розумному діапазоні; Під час розробки необхідно контролювати час і температуру прояву, щоб уникнути недостатнього або надмірного розвитку.
Оптимізація параметрів процесу травлення: процес травлення вимагає налаштування концентрації травильного розчину, температури травлення та швидкості травлення відповідно до товщини мідної фольги. Надмірна швидкість травлення може призвести до надмірного зменшення ширини лінії, тоді як низька швидкість травлення може призвести до неповного травлення та залишкової мідної фольги, що впливає на імпеданс. У той же час слід використовувати обладнання для травлення розпиленням, щоб забезпечити рівномірне розпилення розчину для травлення на поверхню мідної фольги, уникаючи нерівномірного травлення та відхилення ширини лінії в певних областях. Після травлення точність ширини лінії потрібно перевірити за допомогою обладнання для оптичного виявлення, а вироби, які перевищують відхилення, слід своєчасно переробити або утилізувати.
(3) Контроль впливу покриття паяльної маски та обробки поверхні
Хоча покриття паяльної маски (зелена олія) і обробка поверхні (наприклад, іммерсійне золото, лудіння) безпосередньо не визначають імпеданс, неправильна обробка може вплинути на стабільність імпедансу.
Контроль товщини шару паяльної маски: шар паяльної маски покриває поверхню лінії передачі, і його діелектрична проникність і товщина матимуть незначний вплив на імпеданс мікросмужкової лінії (на смужкові лінії менше впливає шар паяльної маски через те, що вони обгорнуті шаром діелектрика). Якщо товщина шару маски припою нерівномірна, це призведе до непостійного діелектричного середовища навколо мікросмужкової лінії, що спричинить локальні коливання імпедансу. Таким чином, під час покриття паяльною маскою необхідно контролювати товщину покриття, підтримувати відхилення в розумному діапазоні та уникати шару паяльної маски, що покриває ключові ділянки лінії електропередачі.
Узгодженість обробки поверхні: мета обробки поверхні - запобігти окисленню мідної фольги та забезпечити надійність зварювання, але товщина та однорідність шару обробки також можуть впливати на опір лінії передачі. Якщо товщина шару обробки нерівномірна, це призведе до коливань поверхневого опору лінії електропередачі, тим самим впливаючи на імпеданс. Тому необхідно контролювати параметри процесу обробки поверхні, щоб переконатися, що відхилення товщини шару обробки контролюється в розумному діапазоні, забезпечуючи при цьому узгодженість шляхом візуального огляду та випробування товщини.
4, Виявлення та перевірка: Забезпечте точність контролю імпедансу
Виявлення та перевірка імпедансу є останньою лінією захисту для контролю імпедансу друкованої плати. Використовуючи професійне обладнання та методи визначення значень імпедансу фактичних продуктів, ми гарантуємо, що вони відповідають вимогам, і надаємо підтримку даних для оптимізації процесу.
(1) Обладнання та методи визначення імпедансу
В даний час основним обладнанням для виявлення імпедансу друкованої плати є тестер імпедансу, а методи виявлення в основному включають рефлектометрію у часовій області (TDR) і метод частотної області.
Рефлектометрія у часовій області: TDR обчислює характеристичний опір на основі відбиття швидко зростаючого імпульсного сигналу, що надсилається на лінію передачі. Цей метод може візуально відображати зміни імпедансу в різних точках лінії передачі (наприклад, розташування та амплітуду мутацій імпедансу) і підходить для виявлення локальних аномалій імпедансу (таких як відхилення ширини лінії та нерівномірна товщина діелектрика). Під час тестування необхідно точно під’єднати тестовий зонд до контрольних точок на друкованій платі, щоб забезпечити хороший контакт, а частота тестування має охоплювати робочий діапазон високо-частотних і високо-швидкісних ланцюгів.
Метод частотної області: метод частотної області обчислює характеристичний опір шляхом вимірювання параметрів розсіювання лінії передачі на різних частотах. Цей метод може аналізувати зміну імпедансу з частотою та підходить для оцінки стабільності імпедансу друкованих плат у всьому робочому діапазоні частот.
(2) Аналіз даних виявлення та оптимізація процесу
Виявлення імпедансу – це не кінцева точка, а скоріше виявлення проблем у процесі за допомогою аналізу даних і оптимізація параметрів процесу. Наприклад, якщо імпеданс мікросмужкової лінії партії друкованих плат загалом виявляється низьким, необхідно перевірити, чи немає таких проблем, як занадто велика ширина лінії, занадто мала товщина діелектрика або занадто висока діелектрична проникність підкладки. Визначивши першопричину проблеми, налаштуйте відповідні параметри процесу. У той же час необхідно створити базу даних виявлення імпедансу для запису даних виявлення кожної партії друкованих плат, узагальнити кореляцію між параметрами процесу та імпедансом за допомогою статистичного аналізу та сформувати стандартизований план керування процесом для постійного підвищення точності контролю імпедансу.