Impedantne tiskane pločice — optimizirajte integritet signala

Šta je kontrola impedanse PCB-a?

Kontrola impedanse na PCB-u znači kontrolu impedanse tragova. Ova impedansa se također naziva kontrolisana impedansa. Kontrolisana impedansa je karakteristična impedansa prenosne linije formirane tragovima na PCB-u i njihovim referentnim ravninama. Kada visokofrekventni signali putuju na prenosnim linijama na PCB-u, to je važno. Kontrolisana impedansa je važna za rješavanje problema integriteta signala. Integritet signala znači da signal putuje bez izobličenja.

Impedansa kola određena je fizičkom veličinom štampane pločice i dielektričnim materijalom. Mjeri se u ohmima (Ω). Vrste prijenosnih linija na štampanoj pločici koje zahtijevaju kontrolu impedanse uključuju jednostrani mikrostrip, jednostranu striplinu, diferencijalni mikrostrip par, diferencijalni striplin par, ugrađeni mikrostrip i koplanarne (jednostrane i diferencijalne).

Uobičajene metode za postizanje kontrole impedanse

1. Koristite strukturu slojeva PCB-a

Dizajneri PCB-a mogu koristiti slojevitost ploče za kontrolu impedanse. Postavljanjem različitih signalnih slojova na različite pozicije kontroliraju se kapacitivnost i indukativnost između slojeva. Obično se za unutrašnje slojeve koriste veće impedanse, a za vanjske slojeve manje impedanse kako bi se smanjili odraz i preslušavanje.

2. Koristite diferencijalne signalne linije

Diferencijalni parovi omogućavaju bolje odbijanje šuma i manji rizik od međusobnog ometanja. Diferencijalni par je dva paralelna provodnika. Njihovi naponi su jednaki po veličini i suprotni po polaritetu. Diferencijalni parovi pružaju bolju integritet signala i otpornost na šum. Impedancija diferencijalnog para kontrolira se razmakom, širinom staze i rasporedom zemljene ravnine.

3. Kontrola geometrije traga

Širina staze, razmak i geometrija rasporeda također mogu kontrolirati impedanciju. Kod uobičajenih mikrostrip struktura, šire staze i veći razmak smanjuju impedanciju. Kod koaksijalnih struktura, manji unutrašnji vodič i veći radijus vanjskog vodiča povećavaju impedanciju. Odaberite geometriju staze na osnovu ciljane impedancije i frekvencije signala.

4. Odaberite materijale za PCB

Dielektrična konstanta materijala PCB-a utječe na impedanciju. Odabir materijala sa stabilnim dielektričnim svojstvima dio je kontrole impedancije. Za visoke frekvencije i velike brzine uobičajeni materijali su FR4 (staklo-epoksid), PTFE (Teflon) i RF laminati.

5. Koristite alate za simulaciju i dizajn

Prije konačnog rasporeda štampane pločice, koristite simulacijske i dizajnerske alate za provjeru i optimizaciju impedanse. Ovi alati simuliraju ponašanje kola, gubitak signala i elektromagnetske interakcije. Pomažu u pronalaženju najboljih parametara pločice. Uobičajeni alati uključuju CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

Uticaj proizvodnje PCB-a na impedanciju

Širina traga

Širina trake direktno utječe na impedanciju i gubitke transmisijske linije. Većina dobrih inženjera daje proizvođaču PCB-a toleranciju širine trake uz Gerber datoteke. Na primjer, ako je širina trake projektovana na 6,2 mila i njena impedansa je 50 oma, nestabilnost u proizvodnji koja mijenja širinu trake promijenit će i impedansu. Prema iskustvu s mnogim fabrikama, širina trake može varirati za oko 10%. Promjenu širine trake možemo modelirati kao Gaussovu raspodjelu sa standardnom devijacijom od 10%.

Bakrena folija / debljina obloženog bakra

U PCB proizvodima debljina bakra ima dva dijela: debljinu osnovnog bakra i debljinu obloženog bakra. Osnovni bakar je relativno ujednačen, ali ujednačenost obloženog bakra zavisi od procesa u fabrici. Debljina obloženog bakra može znatno varirati među fabrikama. Različite debljine obloženog bakra mijenjaju impedansu trake i gubitke. Impedansa može varirati u malom rasponu, na primjer između 49,5 i 51 oma. U poređenju sa širinom trake, debljina bakra ima manji utjecaj na impedansu.

Debljina dielektrika

U proizvodnji tiskanih pločica promjene debljine dielektrika nastaju zbog varijacija u sirovinama, pritiska laminacije i punjenja ljepilom. Ako se promijeni debljina dielektrika, promijenit će se i impedansa i gubici. U teškim slučajevima transmisijske linije će imati velike gubitke. Impedansa može varirati od otprilike 44 oma do 54 oma. Raspon može biti širok i do 10 oma.

Faktor žarenja

Provodnici imaju konačnu debljinu. Nakon graviranja, staze nisu savršeni pravougaonici. Više liče na trapez. Ugao trapeza se mijenja s debljinom bakra (uključujući i pozlatbu). Kada je bakar tanak, ugao bočnog zida se približava 90°. Veličina ugla utječe na impedanciju. Na primjer, kada je ugao bočnog zida 70°, impedancija je oko 50 oma. Kada je ugao 90°, impedancija je oko 48,37 oma.

Gore navedeni testovi mijenjaju jedan faktor odjednom. U stvarnoj proizvodnji više varijabli se mijenja istovremeno. Impedansa može varirati od otprilike 40 oma do 56 oma. Ovo daleko premašuje tipični zahtjev kao što je 50 Ω ±10 %. Tokom proizvodnje mnogi parametri uzrokuju promjenu impedanse. Za brze ili vrhunske proizvode, dizajn PCB-a i proces proizvodnje moraju strogo kontrolirati svaki materijal i svaki korak. U suprotnom, proizvod može pokazati neočekivane probleme.

Impedansa i karakteristična impedansa

1. Otpor

Kada u provodniku teče naizmjenična struja, otpor koji ona nailazi naziva se impedansa (Impedance). Simbol je Z. Jedinica je i dalje om (Ω). Ovaj otpor se razlikuje od otpora istosmjerne struje. U naizmjeničnoj struji, osim otpora (R), postoje induktivna reaktansa (XL) i kapacitivna reaktansa (XC).

Da bi se razlikovalo od otpora na istosmjernoj struji, naziva se impedansa za naizmjeničnu struju (Z).

Formula:

2. Impedansa (Z)

Uz veću integraciju integriranih kola, veću frekvenciju signala i veću brzinu, signali na tragovima PCB-a mogu biti pod utjecajem samog traga. Kada frekvencija signala dostigne određenu granicu, trag uzrokuje ozbiljno izobličenje ili gubitak signala. To pokazuje da tragovi PCB-a ne prenose samo struju, već i energiju u obliku impulsa ili kvadratnih valnih signala.

3. Kontrola karakteristične impedanse (Z0)

Opozicija koju signal vidi dok putuje naziva se karakteristična impedansa. Simbol je Z0.

Dakle, otklanjanje samo otvorenih i kratkih spojeva i provjera povezanosti nije dovoljno. Za visokobrzinske i visokofrekventne prijenosne linije kvaliteta mora biti stroža. Prolazak testa otvorenog/kratkog spoja ili prisustvo malih defekata nije dovoljno. Morate izmjeriti Z0 i održavati ga unutar tolerancije. Ako ne, ploču treba odbaciti. Ne popravljajte je.

Propagacija signala i prijenosne linije

1. Definicija signalnog prijenosnog voda

1. Prema elektromagnetnoj teoriji, kraći talasni dužina (λ) znači veću frekvenciju (f). Njihov proizvod je brzina svjetlosti. To jest:

2. Bilo koji uređaj može imati visoku frekvenciju signala. Nakon što signal prođe kroz trag na tiskanoj pločici, signal se može usporiti ili zakasniti.

Dakle, kraća dužina traga je bolja.

3. Povećanje gustoće ožičenja ili smanjenje promjera žica pomaže. Ali kada frekvencija komponente postane viša ili se periodi impulsa skrate, dužina staze može se približiti dijelu talasne dužine signala. Tada će staza pokazati očiglednu distorziju.

4. IPC-2141 klauzula 3.4.4 kaže: kada dužina traga približno dostigne 1/7 talasne dužine signala, trag se tretira kao signalna transmisijska linija.

5. Primjer:

Uređaj ima signalnu frekvenciju f = 10 MHz. Dužina staze na tiskanoj pločici je 50 cm. Da li je potrebna kontrola karakteristične impedanse?

Izračunaj:

Pošto je 1/60 mnogo manje od 1/7, ovaj trag je obični vod i ne zahtijeva kontrolu karakteristične impedanse.

Maxwellove jednačine nam govore: brzina propagacije VS sinusnog vala u mediju povezana je sa brzinom svjetlosti C i dielektričnom konstantom εr na sljedeći način:

Kada je εr = 1, brzina signala je jednaka brzini svjetlosti = 3 × 10^10 cm/s.

2. Brzina prijenosa i dielektrična konstanta

Brzina signala pri 30 MHz za različite materijale:

Tabela pokazuje: kako se εr povećava, brzina signala u materijalu opada. Da biste dobili veću brzinu signala, odaberite viši karakteristični impedans. Da biste dobili veći Z0, odaberite materijal s nižim εr. PTFE ima najmanji εr, pa omogućava najveću brzinu.

FR4 ploča koristi epoksidnu smolu i E-staklo. Njen εr je oko 4,7. Brzina signala je 138 m/μs. Promjena sistema smole može promijeniti εr.

Razlozi za kontrolu karakteristične impedanse

Razlog 1

Kada elektronička oprema (računar, komunikacije) radi, pojačalo šalje signal prijemniku putem tragova na tiskanoj pločici. Karakteristični impedans Z0 traga mora odgovarati elektroničkom impedansu pojačala i prijemnika. Ako su usklađeni, energija signala se prenosi u potpunosti.

Razlog 2

Ako je kvalitet PCB-a loš i Z0 je izvan tolerancije, signali će se reflektovati, rasipati, prigušiti ili kašnjeti. U teškim slučajevima signali mogu biti pogrešni i uređaj se može srušiti.

Razlog 3

Potrebna je stroga selekcija materijala i kontrola procesa kako bi višeslojna ploča Z0 zadovoljila specifikacije kupca. Komponente s višom elektroničkom impedancijom obično zahtijevaju viši Z0 PCB-a da bi bile usklađene. Višeslojna ploča s ispravnim Z0 je kvalificirani proizvod za visoke brzine ili visoke frekvencije.

Odnos Z0 prema materijalu i procesu

Formula za karakterističnu impedanciju mikrostrip linije Z0:

Gdje:

• εr — dielektrična konstanta

• H — debljina dielektrika

• W — širina traga

• T — debljina traga

Manji εr olakšava podizanje Z0 kako bi odgovarao visokobrzim komponentama.

1. Z0 i εr

Z0 je obrnuto proporcionalan εr. Z0 se povećava s porastom H. Za strogo visokofrekventne linije Z0 tolerancija debljine dielektrika mora biti stroga. Obično promjena debljine dielektrika ne smije prelaziti 10⁻³.

2. Utjecaj debljine dielektrika

Uz veću gustoću ruta, veći H dovodi do većih elektromagnetskih smetnji. Za visokofrekventne i visokobrzinske digitalne linije, kako se povećava gustoća provodnika, smanjite debljinu dielektrika da biste smanjili EMI i preslušavanje, ili koristite materijale s nižim εr.

Iz formule je debljina bakra T važan faktor. Veći T smanjuje Z0, ali je promjena mala.

3. Utjecaj debljine bakra

Tanje bakarno provodno jezgro daje veću Z0, ali njegov utjecaj na Z0 je mali. Korištenje tankog bakra pomaže pri izradi tankih tragova, što više pomaže u kontroli Z0 nego sama debljina bakra.

Iz formule:

Kako se smanjuje W (širina traga), Z0 se povećava. Promjena širine ima veći utjecaj na Z0 nego promjena debljine.

4. Utjecaj širine traga

Z0 naglo raste kako se širina W sužava. Da biste kontrolisali Z0, strogo kontrolisite širinu traga. Danas većina visokofrekventnih i visokobrzinskih digitalnih tragova ima širine poput 0,10 mm ili 0,13 mm. Tradicionalno je tolerancija širine bila ±20%. Za tragove koji nisu transmisijske linije (dužina traga << talasna dužina signala / 7), ±20% može biti u redu. Ali za tragove kod kojih se kontrolira Z0, pogreška u širini od ±20% ne može zadovoljiti zahtjeve. U tom slučaju pogreška Z0 često prelazi ±10%.

Primjer:

Mikrostrip na tiskanoj ploči ima širinu 100 μm, debljinu 20 μm i dielektričnu debljinu 100 μm. Pretpostavimo da je debljina bakra jednolična. Ako se širina promijeni za ±20%, može li Z0 ispuniti ±10%?

Po formuli:

Neka W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Onda je Z01 / Z02 = 1.20. Dakle, Z0 samo doseže ±10%, a ne unutar ±10%. Da bi Z0 bio unutar ±10%, varijacija širine mora biti mnogo manja od ±20%. Da bi Z0 ≤ ±5%, tolerancija širine mora biti ≤ ±10%.

Ovo objašnjava zašto neki PTFE PCB-ovi i neki FR4 PCB-ovi zahtijevaju toleranciju širine od ±0,02 mm. Razlog je kontrola Z0.

Kontrole procesa za karakterističnu impedanciju

1. Kontrola i inspekcija proizvodnje filmova
   Održavajte stalnu temperaturu i vlažnost (21±2 °C, 55±5 %), održavajte čistu prostoriju i vršite kompenzaciju širine procesa.

2. Dizajn panela
   Rubovi panela ne bi trebali biti previše uski. Osigurajte ujednačenu oblogu. Koristite pseudo-katodu u elektrolitnom presvlačenju za raspodjelu struje. Dodajte kupon na rub panela za test Z0.

3. Žiganje
   Kontrolirajte parametre procesa kako biste smanjili podrezivanje. Izvedite inspekciju prvog prolaza. Smanjite preostali bakar, bakrene žljebove i bakrene otpatke. Provjerite širinu traga i održavajte je unutar zahtjevanog raspona (±10% ili ±0,02 mm).

4. Inspekcija AOI
   Za unutrašnje slojeve pronađite praznine i izbočine na tragovima. Za brze signale od 2 GHz, čak i praznina od 0,05 mm može uzrokovati odbacivanje ploče. Kontrola širine unutrašnjih slojeva i nedostataka je ključna.

5. Laminacija
   Koristite vakuumsku laminaciju za smanjenje pritiska i protoka smole. Ostavite više smole jer smola utječe na εr. Više smole često smanjuje εr. Kontrolirajte toleranciju debljine laminacije. Ako je debljina gotove ploče neujednačena, debljina dielektrika varira i utječe na Z0.

6. Odaberite dobar osnovni materijal.
   Strogo se pridržavajte modela materijala kupca. Pogrešan model znači pogrešan εr, pogrešnu debljinu. Cijeli proces izveden s pogrešnim materijalom i dalje rezultira otpadom jer Z0 uveliko ovisi o εr.

7. Solder maska (coverlay)
   Maska za lemljenje na površini ploče može smanjiti Z0 za 1–3 Ω. U teoriji debljina maske za lemljenje ne bi trebala biti prevelika. U praksi je utjecaj nevelik. Prije maske za lemljenje površina provodnika je u kontaktu sa zrakom (εr = 1), pa je izmjereni Z0 viši. Nakon maske za lemljenje Z0 se smanjuje za 1–3 Ω jer je εr maske za lemljenje oko 4,0.

8. Upijanje vlage
   Izbjegavajte upijanje vlage u gotovim višeslojnim pločama. Voda ima εr ≈ 75. Vlažnost uzrokuje veliki pad Z0 i nestabilnost.

Sažetak

Za višeslojne ploče s prijenosnim vodovima, uobičajeni rasponi kontrole Z0 su:

• 50 Ω ±10%

• 75 Ω ±10%

• 28 Ω ±10%

Da biste kontrolisali varijaciju, uzmite u obzir ove četiri glavne faktore:

1. Širina traga W

2. Debljina traga T

3. Debljina dielektrika H

4. Dielektrična konstanta εr

Najveći utjecaj ima debljina dielektrika H. Zatim slijedi dielektrična konstanta εr. Zatim širina traga W. Najmanji utjecaj ima debljina traga T. Nakon odabira osnovnog materijala, promjena εr je mala. H se može kontrolirati, ali se i dalje mijenja. T je lakše kontrolirati. Kontrola širine traga W unutar ±10% je teška. Problemi na tragu, poput rupica, praznina i udubljenja, također su važni. Na mnogo načina, najučinkovitija i najvažnija metoda za kontrolu Z0 je precizna kontrola i podešavanje širine traga.