تجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

التطبيق

ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص

تشطيب سوفاس

معاوقة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور - تحسين سلامة الإشارة

ما هو التحكم في معاوقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟

يعني التحكم في معاوقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور التحكم في معاوقة الآثار. وتسمى هذه المعاوقة أيضاً المعاوقة المتحكم بها. المعاوقة المتحكم بها هي المعاوقة المميزة لخط نقل مكون من آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور ومستوياتها المرجعية. عندما تنتقل الإشارات عالية التردد على خطوط نقل ثنائي الفينيل متعدد الكلور، فإن هذا الأمر مهم. المعاوقة المضبوطة مهمة لحل مشاكل سلامة الإشارة. تعني سلامة الإشارة انتقال الإشارة دون تشويه.

يتم تعيين معاوقة الدائرة من خلال الحجم المادي لثنائي الفينيل متعدد الكلور والمادة العازلة. ويتم قياسها بوحدة الأوم (Ω). تشمل أنواع خطوط نقل ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تحتاج إلى التحكم في المعاوقة الشريط الدقيق أحادي الطرف، والخط المخطط أحادي الطرف، وزوج الشريط الدقيق التفاضلي، وزوج الخط المخطط التفاضلي، والخط المخطط التفاضلي، والخط الدقيق المدمج، والخط المستوي (أحادي الطرف والتفاضلي).

الطرق الشائعة لتحقيق التحكم في المعاوقة

1. استخدام هيكل طبقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يمكن لمصممي ثنائي الفينيل متعدد الكلور استخدام مكدس طبقات اللوحة للتحكم في المعاوقة. ضع طبقات إشارة مختلفة في مواضع مختلفة للتحكم في السعة والمحاثة بين الطبقات. وعادةً ما تستخدم الطبقات الداخلية خيارات مقاومة أعلى وتستخدم الطبقات الخارجية خيارات مقاومة أقل لتقليل الانعكاس والحديث المتبادل.

2. استخدام خطوط الإشارة التفاضلية

تعطي الأزواج التفاضلية رفضًا أفضل للضوضاء ومخاطر أقل للتشويش المتبادل. الزوج التفاضلي عبارة عن موصلين متوازيين. تكون الفولتية متساوية في الحجم ومتعاكسة في القطبية. تعطي الأزواج التفاضلية سلامة أفضل للإشارة ومقاومة أفضل للتشويش. يتم التحكم في معاوقة الزوج التفاضلي من خلال التباعد، وعرض التتبع، وتخطيط المستوى الأرضي.

3. هندسة أثر التحكم

يمكن أيضًا أن يتحكم عرض التتبع والتباعد وهندسة التخطيط في المعاوقة. بالنسبة للشرائط المجهرية الشائعة، فإن الآثار الأعرض والتباعد الأكبر يقلل من المعاوقة. بالنسبة للهياكل من النوع المحوري، يزيد الموصل الداخلي الأصغر ونصف قطر الموصل الخارجي الأكبر من المعاوقة. اختر هندسة التتبع بناءً على المعاوقة المستهدفة وتردد الإشارة.

4. اختر مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يؤثر ثابت العزل الكهربائي لمادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور على المعاوقة. يعد اختيار المواد ذات الخصائص العازلة المستقرة جزءًا من التحكم في المعاوقة. وبالنسبة للاستخدام عالي التردد والسرعة العالية، فإن المواد الشائعة هي fr4 (زجاج الإيبوكسي) وPTFE (تفلون) وشرائح الترددات اللاسلكية.

5. استخدام أدوات المحاكاة والتصميم

قبل التخطيط النهائي لثنائي الفينيل متعدد الكلور، استخدم أدوات المحاكاة والتصميم للتحقق من المعاوقة وتحسينها. تحاكي هذه الأدوات سلوك الدائرة وفقدان الإشارة والتفاعلات الكهرومغناطيسية. فهي تساعد في العثور على أفضل معلمات اللوحة. تشمل الأدوات الشائعة CST Studio Suite وHyperLynx وADS.

تأثيرات تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور على المعاوقة

عرض التتبع

يؤثر عرض التتبع بشكل مباشر على مقاومة خط النقل والفاقد. يقوم معظم المهندسين الجيدين بإعطاء صانع ثنائي الفينيل متعدد الكلور تفاوتًا في عرض المسار مع ملفات Gerber. على سبيل المثال، إذا تم تصميم عرض التتبع على أنه 6.2 مل ومقاومته 50 أوم، فإن عدم استقرار التصنيع الذي يغير عرض التتبع سيغير المعاوقة. من التجربة مع العديد من المصانع، قد يختلف عرض التتبع حوالي 10%. يمكننا نمذجة تغيير عرض التتبع كتوزيع غاوسي بانحراف معياري قدره 10%.

رقائق النحاس / سمك النحاس المطلي / النحاس المطلي

في منتجات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يتكون سمك النحاس من جزأين: سمك النحاس الأساسي وسمك النحاس المطلي. النحاس الأساسي متجانس نسبيًا، لكن توحيد النحاس المطلي يعتمد على عملية المصنع. قد يختلف النحاس المطلي كثيراً بين المصانع. سيغير سمك النحاس المطلي المختلف من معاوقة الأثر وفقدانه. قد تختلف المعاوقة في نطاق صغير، على سبيل المثال بين 49.5 و51 أوم. بالمقارنة مع عرض التتبع، فإن سمك النحاس له تأثير أقل على المعاوقة.

سُمك العازل الكهربائي

في تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور، تأتي تغيرات سُمك العازل الكهربائي من اختلاف المواد الخام وضغط التصفيح وحشو الغراء. إذا تغيرت سماكة العازل، ستتغير المعاوقة والفاقد. في الحالات الشديدة، سيكون لخطوط النقل خسارة كبيرة. قد تختلف المعاوقة من حوالي 44 أوم إلى 54 أوم. ويمكن أن يصل النطاق إلى 10 أوم.

عامل الحفر

الموصلات لها سمك محدود. بعد الحفر، لا تكون الآثار مستطيلات مثالية. تبدو أقرب إلى شبه منحرف. تتغير زاوية شبه المنحرف بتغير سُمك النحاس (بما في ذلك الطلاء). عندما يكون النحاس رقيقًا، تقترب الزاوية الجانبية من 90 درجة. يؤثر حجم الزاوية على المعاوقة. على سبيل المثال، عندما تكون زاوية الجدار الجانبي 70 درجة، تكون المعاوقة حوالي 50 أوم. عندما تكون الزاوية 90 درجة، تكون المعاوقة حوالي 48.37 أوم.

الاختبارات المذكورة أعلاه تغير عامل واحد في كل مرة. في الإنتاج الحقيقي، تتغير متغيرات متعددة في وقت واحد. يمكن أن تختلف المعاوقة من حوالي 40 أوم إلى 56 أوم. وهذا يتجاوز بكثير المتطلبات النموذجية مثل 50Ω ±10%. أثناء الإنتاج، تتسبب العديد من المعلمات في تغيير المعاوقة. بالنسبة للمنتجات عالية السرعة أو المنتجات المتطورة، يجب أن يتحكم تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور وعملية التصنيع بصرامة في كل مادة وخطوة. خلاف ذلك، يمكن أن يظهر المنتج مشاكل غير متوقعة.

المعاوقة والمقاومة المميزة

1. المقاومة

عندما يتدفق تيار متردد في موصل ما، فإن المقاومة التي يقابلها تسمى المعاوقة (المعاوقة). الرمز Z. الوحدة لا تزال أوم (Ω). تختلف هذه المقاومة عن مقاومة التيار المستمر. في التيار المتردد، إلى جانب المقاومة (R)، هناك مفاعلة حثية (XL) ومفاعلة سعوية (XC).

لتمييز مقاومة التيار المستمر عن مقاومة التيار المتردد (Z).

المعادلة:

 
Z = √(r² + (xl - xc)²)

2. المعاوقة (Z)

مع تكامل IC الأعلى وتردد وسرعة إشارة أعلى، يمكن أن تتأثر الإشارات على آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور بتتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور نفسه. عندما يصل تردد الإشارة إلى حد معين، يتسبب الأثر في تشويه أو فقدان خطير للإشارة. وهذا يدل على أن آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور لا تحمل تيارًا فحسب، بل تحمل طاقة على شكل نبضات أو إشارات موجات مربعة.

3. التحكم في المعاوقة المميزة (Z0)

وتسمى المعاوقة التي تراها الإشارة عند انتقالها المعاوقة المميزة. الرمز Z0.

لذا، فإن إصلاح “الفتح” و“القصر” والاتصال فقط لا يكفي. بالنسبة لخطوط النقل عالية السرعة وعالية التردد، يجب أن تكون الجودة أكثر صرامة. لا يكفي اجتياز اختبار "الفتح/القصر" أو وجود عيوب صغيرة. يجب قياس Z0 وإبقائه ضمن التفاوت المسموح به. إذا لم يكن كذلك، يجب إلغاء اللوحة. لا تعيد العمل.

انتشار الإشارة وخطوط الإرسال

1. تعريف خط نقل الإشارة

  1. من النظرية الكهرومغناطيسية، الطول الموجي الأقصر (λ) يعني ترددًا أعلى (f). حاصل ضربهما يساوي سرعة الضوء. وهذا يعني

 
C = λ - و = و 3 × 10^10 سم/ث

  1. قد يكون لأي جهاز تردد إشارة مرتفع. بعد انتقال الإشارة عبر مسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور، قد تتباطأ الإشارة أو تتأخر.

لذا، فإن طول التتبع الأقصر أفضل.

  1. تساعد زيادة كثافة الأسلاك أو تقليل حجم الأسلاك. ولكن عندما يصبح تردد المكوّن أعلى أو تقصير فترات النبض، قد يقترب طول التتبع من جزء من الطول الموجي للإشارة. عندها سيُظهر التتبع تشوهًا واضحًا.

  2. ينص البند 3.4.4.4 من IPC-2141 على ما يلي: عندما يقترب طول التتبع من 1/7 من الطول الموجي للإشارة، يتم التعامل مع التتبع كخط نقل إشارة.

  3. مثال على ذلك:

جهاز تردد إشارته f = 10 ميجاهرتز. طول مسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور 50 سم. هل نحتاج إلى التحكم في المعاوقة المميزة؟

احسب:

 
ج = λ - و = 3 × 10^10 سم/ث
λ = C / f = (3 × 10^10 سم/ثانية) / (1 × 10^7/ثانية) = 3000 سم
طول التتبع / الطول الموجي = 50 / 3000 = 1/60

نظرًا لأن 1/60 أقل بكثير من 1/7، فإن هذا التتبع هو سلك عادي ولا يحتاج إلى التحكم في المعاوقة المميزة.

تخبرنا معادلات ماكسويل: ترتبط سرعة انتشار الموجة الجيبية VS لموجة جيبية في وسط ما بسرعة الضوء C وثابت العزل الكهربائي εr على النحو التالي

 
VS = C / √ εr

عندما εr = 1، فإن سرعة الإشارة تساوي سرعة الضوء = 3 × 10^10 سم/ث.

2. سرعة الإرسال وثابت العزل الكهربائي

سرعة الإشارة عند 30 ميجاهرتز لمواد مختلفة:

المادة/الركيزةدرجة مئوية (درجة مئوية)ثابت العزل الكهربائي εrسرعة الإشارة (م/ثانية)
المكنسة الكهربائية/1.0300.00
PTFE (تفلون)/2.2202.26
بولي فينيلين الإيثر متعدد الفينيلين بالحرارة2102.5189.74
إستر السيانات2253.0173.21
PTFE + زجاج E-زجاجي/2.6186.25
إستر السيانات + الزجاج2253.7155.96
البوليميد + الزجاج2304.5141.42
كوارتز/3.9151.98
زجاج إيبوكسي (fr4)130±54.7138.38
ألومنيوم/9.0100.00

يوضح الجدول: كلما زادت εr، تقل سرعة الإشارة في المادة. للحصول على سرعة إشارة أعلى، اختر مقاومة مميزة أعلى. للحصول على Z0 أعلى، اختر مادة εr أقل. تحتوي مادة PTFE على أصغر εr، لذا فهي تعطي أسرع سرعة.

يستخدم لوح fr4 راتنجات الإيبوكسي بالإضافة إلى زجاج E. يبلغ εr حوالي 4.7. تبلغ سرعة الإشارة 138 م/ثانية. يمكن أن يؤدي تغيير نظام الراتنج إلى تغيير εr.

أسباب التحكم في المعاوقة المميزة

السبب 1

عند تشغيل المعدات الإلكترونية (كمبيوتر، اتصالات)، يرسل المشغِّل إشارة إلى المستقبل من خلال آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يجب أن تتطابق المعاوقة المميزة Z0 للأثر مع المعاوقة الإلكترونية للمشغل والمستقبل. في حالة التطابق، تنتقل طاقة الإشارة بالكامل.

السبب 2

إذا كانت جودة ثنائي الفينيل متعدد الكلور سيئة وكانت Z0 خارج نطاق التحمل، فسوف تنعكس الإشارات أو تتبدد أو تخفف أو تتأخر. في الحالات الشديدة، يمكن أن تكون الإشارات خاطئة ويمكن أن يتعطل الجهاز.

السبب 3

هناك حاجة إلى اختيار صارم للمواد والتحكم الصارم في العملية حتى تتوافق اللوحة متعددة الطبقات Z0 مع مواصفات العميل. تحتاج المكونات ذات المعاوقة الإلكترونية الأعلى عادةً إلى Z0 أعلى للوحة متعددة الطبقات Z0 لمطابقتها. اللوحة متعددة الطبقات ذات Z0 الصحيح هي منتج مؤهل عالي السرعة أو عالي التردد.

علاقة Z0 بالمادة والعملية

معادلة المعاوقة المميزة للشريط الدقيق Z0:

 
Z0 = 87 / √εr + 1.41 - ln [ 5.98 H / (0.8 W + T)]

أين:

  • εr - ثابت العزل الكهربائي

  • ح - سُمك العازل الكهربائي

  • W - عرض التتبع

  • T - سُمك التتبع

انخفاض εr يجعل من السهل رفع Z0 لمطابقة المكونات عالية السرعة.

1. Z0 و εr

يرتبط Z0 عكسيًا ب εr. يزداد Z0 مع زيادة H. بالنسبة لخطوط Z0 عالية التردد الصارمة Z0، يجب أن يكون تحمل سمك العازل صارمًا. عادةً يجب ألا يتجاوز تغير سمك العازل الكهربائي 10%.

2. تأثير سمك العازل الكهربائي

مع ارتفاع كثافة التوجيه، يؤدي ارتفاع H إلى مزيد من التداخل الكهرومغناطيسي. بالنسبة للخطوط الرقمية ذات التردد العالي والسرعة العالية، مع ارتفاع كثافة الموصلات، قلل من سماكة العازل لخفض التداخل الكهرومغناطيسي والتداخل الكهرومغناطيسي، أو استخدم مواد ذات εr أقل.

من المعادلة، سمك النحاس T عامل مهم. يقلل T الأكبر من Z0، لكن التغيير ضئيل.

3. تأثير سماكة النحاس

النحاس الرقيق يعطي Z0 أعلى، لكن تأثيره على Z0 صغير. يساعد استخدام النحاس الرقيق في صنع آثار دقيقة وهذا يساعد في التحكم في Z0 أكثر من قيمة سُمك النحاس وحده.

من الصيغة:

 
Z0 = 87 / √εr + 1.41 - ln [ 5.98 H / (0.8 W + T)]

مع انخفاض W (عرض التتبع)، يزداد Z0. تغيير العرض له تأثير أكبر على Z0 من تغيير السُمك.

4. تأثير عرض التتبع

يزداد Z0 بحدة كلما ضاق العرض W. للتحكم في Z0، تحكم في عرض التتبع بإحكام. اليوم معظم التتبعات الرقمية عالية التردد وعالية السرعة لها عرض مثل 0.10 مم أو 0.13 مم. تقليدياً، كان تفاوت العرض ±20%. بالنسبة لتتبعات خطوط غير الإرسال (طول التتبع << الطول الموجي للإشارة / 7)، قد يكون ±20% جيدًا. ولكن بالنسبة للآثار التي يتم التحكم فيها Z0، لا يمكن أن يفي خطأ العرض ±20% بالمتطلبات. عند هذه النقطة، غالبًا ما يتجاوز خطأ Z0 ± 10%.

مثال على ذلك:

يبلغ عرض الشريط الميكروي لثنائي الفينيل متعدد الكلور 100 ميكرومتر، وسمكه 20 ميكرومتر، وسمك العازل الكهربائي 100 ميكرومتر. افترض أن سمك النحاس منتظم. إذا تغير العرض ± 20%، هل يمكن أن يفي Z0 بـ ± 10%؟

حسب الصيغة:

لنفترض أن W0 = 100 ميكرومتر، W1 = 80 ميكرومتر، W2 = 120 ميكرومتر، T = 20 ميكرومتر، H = 100 ميكرومتر. ثم Z01 / Z02 = 1.20. إذاً Z0 يصل Z0 فقط إلى ± 10%، وليس ضمن ± 10%. للحصول على Z0 في حدود ± 10%، يجب أن يكون تباين العرض أصغر بكثير من ±20%. للحصول على Z0 ≤ ± ± 5%، يجب أن يكون تفاوت العرض ≤ ± 10%.

وهذا يفسر السبب في أن بعض مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور PTFE وبعض مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور fr4 تتطلب تفاوتًا في العرض ± 0.02 مم. والسبب هو التحكم في Z0.

ضوابط عملية المعاوقة المميزة

  1. التحكم في صناعة الأفلام وفحصها
    حافظ على ثبات درجة الحرارة والرطوبة (21 ± 2 درجة مئوية، 55 ± 51 درجة مئوية، 55 ± 51 درجة مئوية)، وحافظ على غرفة نظيفة، وقم بإجراء تعويض عملية العرض.

  2. تصميم اللوحة
    يجب ألا تكون حواف اللوحة ضيقة للغاية. اجعل الطلاء موحدًا. استخدم الكاثود الزائف في الطلاء الكهربائي لتوزيع التيار. أضف قسيمة على حافة اللوحة لاختبار Z0.

  3. النقش
    التحكم في معلمات العملية لتقليل التقليل من التقليل. إجراء الفحص بالمرور الأول. قلل النحاس المتبقي والنتوءات النحاسية وفضلات النحاس. افحص عرض الأثر واحتفظ به ضمن النطاق المطلوب (± 10% أو ± 0.02 مم).

  4. فحص الهيئة العربية للتصنيع
    بالنسبة للطبقات الداخلية، ابحث عن فجوات التتبع والنتوءات. بالنسبة للإشارات عالية السرعة بتردد 2 جيجاهرتز، حتى فجوة 0.05 مم يجب أن تتسبب في خردة اللوحة. يعد التحكم في عرض الطبقة الداخلية والعيوب أمرًا أساسيًا.

  5. التصفيح
    استخدم التصفيح بالتفريغ لخفض الضغط وتقليل تدفق الراتنج. احتفظ بالمزيد من الراتنج لأن الراتنج يؤثر على εr. المزيد من الراتنج غالبًا ما يقلل من εr. التحكم في تحمل سماكة التصفيح. إذا كان سمك اللوح النهائي غير متساوٍ، يختلف سمك العازل الكهربائي ويؤثر على Z0.

  6. اختر مادة أساسية جيدة
    اتبع بدقة نموذج مادة العميل. نموذج خاطئ يعني εr خاطئ، وسمك خاطئ. لا تزال العملية الكاملة التي تتم باستخدام مادة خاطئة تؤدي إلى خردة لأن Z0 يعتمد بشدة على εr.

  7. قناع اللحام (طبقة التغطية)
    يمكن لقناع اللحام الموجود على سطح اللوحة أن يخفض Z0 بمقدار 1-3 Ω. من الناحية النظرية، يجب ألا يكون سمك قناع اللحام سميكًا جدًا. في الممارسة العملية التأثير ليس كبيرًا. قبل قناع اللحام، يتداخل سطح الموصل مع الهواء (εr = 1) لذا يكون Z0 المقاس أعلى. بعد قناع اللحام، ينخفض Z0 بمقدار 1-3 Ω لأن قناع اللحام εr يبلغ حوالي 4.0.

  8. امتصاص الرطوبة
    تجنب امتصاص الرطوبة في الألواح متعددة الطبقات الجاهزة. الماء له εr ≈ 75. تسبب الرطوبة انخفاض Z0 كبير وعدم استقرار.

الملخص

بالنسبة لخطوط نقل الألواح متعددة الطبقات، تكون نطاقات التحكم Z0 الشائعة هي

  • 50 Ω ±10%

  • 75 Ω ±10%

  • 28 Ω ±10%

للتحكم في التباين، ضع في اعتبارك هذه العوامل الأربعة الرئيسية:

  1. عرض التتبع W

  2. سُمك التتبع T

  3. سُمك العازل الكهربائي H

  4. ثابت العزل الكهربائي εr

التأثير الأكبر هو سمك العازل الكهربائي H. التالي هو ثابت العزل الكهربائي εr. ثم عرض التتبع W. وأصغرها هو سمك التتبع T. بعد اختيار المادة الأساسية، يكون تغيير εr صغيرًا. يمكن التحكم في H ولكن لا يزال يختلف. من السهل التحكم في T. من الصعب التحكم في عرض التتبع W في حدود ± 10%. مشاكل التتبع مثل الثقوب والفجوات والخدوش مهمة أيضًا. من نواحٍ عديدة، الطريقة الأكثر فعالية وأهمية للتحكم في Z0 هي التحكم في عرض التتبع وضبطه بدقة.

انتقل إلى الأعلى