Impedanční desky plošných spojů - optimalizace integrity signálu

Co je řízení impedance desek plošných spojů?

Řízením impedance DPS se rozumí řízení impedance stop. Tato impedance se také nazývá řízená impedance. Řízená impedance je charakteristická impedance přenosového vedení tvořeného stopami DPS a jejich referenčními rovinami. Při přenosu vysokofrekvenčních signálů po přenosových vedeních DPS je to důležité. Řízená impedance je důležitá pro řešení problémů s integritou signálu. Integrita signálu znamená, že se signál šíří bez zkreslení.

Impedance obvodu je dána fyzickou velikostí desky plošných spojů a dielektrickým materiálem. Měří se v ohmech (Ω). Mezi typy přenosových vedení na desce plošných spojů, které vyžadují řízení impedance, patří jednopáskové mikropásky, jednopáskové páskové vedení, diferenciální mikropáskový pár, diferenciální páskové vedení, vložené mikropásky a koplanární vedení (jednopáskové a diferenciální).

Běžné metody pro dosažení impedanční regulace

1. Použití struktury vrstev PCB

Konstruktéři desek plošných spojů mohou ke kontrole impedance použít zásobník vrstev desky. Umístěním různých signálových vrstev na různá místa lze řídit kapacitu a indukčnost mezi vrstvami. Obvykle se u vnitřních vrstev volí vyšší impedance a u vnějších vrstev nižší impedance, aby se snížily odrazy a přeslechy.

2. Použijte diferenciální signální vedení

Diferenciální páry poskytují lepší odrušení a nižší riziko přeslechů. Diferenciální pár jsou dva paralelní vodiče. Jejich napětí jsou stejně velká a mají opačnou polaritu. Diferenciální páry poskytují lepší integritu signálu a odolnost proti šumu. Impedance diferenciálního páru je řízena vzdáleností, šířkou stopy a uspořádáním zemní roviny.

3. Geometrie kontrolní stopy

Šířka stopy, rozteč a geometrie uspořádání mohou rovněž ovlivnit impedanci. U běžných mikropásků snižují impedanci širší stopy a větší rozestupy. U koaxiálních struktur menší vnitřní vodič a větší poloměr vnějšího vodiče zvyšují impedanci. Geometrii stop zvolte na základě cílové impedance a frekvence signálu.

4. Výběr materiálů PCB

Dielektrická konstanta materiálu DPS ovlivňuje impedanci. Výběr materiálů se stabilními dielektrickými vlastnostmi je součástí řízení impedance. Pro vysokofrekvenční a vysokorychlostní použití jsou běžné materiály fr4 (sklo-epoxid), PTFE (teflon) a VF lamináty.

5. Používat simulační a návrhové nástroje

Před finálním rozvržením PCB použijte simulační a návrhové nástroje ke kontrole a optimalizaci impedance. Tyto nástroje simulují chování obvodu, ztráty signálu a elektromagnetické interakce. Pomáhají najít nejlepší parametry desky. Mezi běžné nástroje patří CST Studio Suite, HyperLynx a ADS.

Vliv výroby DPS na impedanci

Šířka stopy

Šířka stopy přímo ovlivňuje impedanci a ztráty přenosového vedení. Většina dobrých konstruktérů dává výrobci PCB toleranci šířky stopy pomocí souborů Gerber. Pokud je například šířka stopy navržena na 6,2 mil a její impedance je 50 ohmů, výrobní nestabilita, která změní šířku stopy, změní impedanci. Ze zkušeností s mnoha továrnami se šířka stopy může lišit přibližně o 10%. Změnu šířky stopy můžeme modelovat jako Gaussovo rozdělení se směrodatnou odchylkou 10%.

Tloušťka měděné fólie / pokovené mědi

Tloušťka mědi se u výrobků PCB skládá ze dvou částí: základní tloušťky mědi a tloušťky pokovené mědi. Základní měď je relativně rovnoměrná, ale rovnoměrnost pokovené mědi závisí na výrobním procesu. Tloušťka pokovené mědi se může v jednotlivých továrnách značně lišit. Různá tloušťka pokovené mědi mění impedanci a ztráty stopy. Impedance se může lišit v malém rozsahu, například mezi 49,5 a 51 ohmy. Ve srovnání s šířkou stopy má tloušťka mědi menší vliv na impedanci.

Tloušťka dielektrika

Při výrobě desek plošných spojů dochází ke změnám tloušťky dielektrika v důsledku kolísání surovin, tlaku při laminování a plnění lepidlem. Pokud se změní tloušťka dielektrika, změní se impedance a ztráty. V závažných případech budou mít přenosová vedení velké ztráty. Impedance se může pohybovat od přibližně 44 ohmů do 54 ohmů. Rozsah může být až 10 ohmů.

Faktor leptání

Vodiče mají konečnou tloušťku. Po leptání nejsou stopy dokonalými obdélníky. Vypadají spíše jako lichoběžník. Úhel lichoběžníku se mění s tloušťkou mědi (včetně pokovení). Když je měď tenká, úhel boční stěny se blíží 90°. Velikost úhlu ovlivňuje impedanci. Například při úhlu bočnice 70° je impedance přibližně 50 ohmů. Při úhlu 90° je impedance přibližně 48,37 ohmů.

Výše uvedené testy mění jeden faktor po druhém. Ve skutečné výrobě se mění více proměnných najednou. Impedance se může pohybovat od 40 ohmů do 56 ohmů. To značně přesahuje typický požadavek, jako je 50Ω ±10%. Během výroby způsobuje změnu impedance mnoho parametrů. U vysokorychlostních nebo špičkových výrobků musí návrh a výrobní proces desek plošných spojů přísně kontrolovat každý materiál a krok. V opačném případě může výrobek vykazovat neočekávané problémy.

Impedance a charakteristická impedance

1. Odolnost

Když ve vodiči teče střídavý proud, odpor, na který narazí, se nazývá impedance (odpor). Symbol je Z. Jednotkou je stále ohm (Ω). Tento odpor se liší od odporu stejnosměrného proudu. Ve střídavém proudu existuje kromě odporu (R) také induktivní reaktance (XL) a kapacitní reaktance (XC).

Pro odlišení od stejnosměrného odporu se nazývá střídavá odporová impedance (Z).

Vzorec:

2. Impedance (Z)

S vyšší integrací integrovaných obvodů a vyšší frekvencí a rychlostí signálu mohou být signály na stopách PCB ovlivněny samotnou stopou PCB. Když frekvence signálu dosáhne určité hranice, způsobuje stopa vážné zkreslení nebo ztrátu signálu. To ukazuje, že stopy DPS nepřenášejí pouze proud, ale i energii ve formě impulsů nebo signálů se čtvercovými vlnami.

3. Řízení charakteristické impedance (Z0)

Odpor, který signál při své cestě vidí, se nazývá charakteristická impedance. Symbol je Z0.

Oprava pouze “open”, “short” a konektivity tedy nestačí. U vysokorychlostních a vysokofrekvenčních přenosových vedení musí být kvalita přísnější. Nestačí projít testem na otevření/zkrat nebo mít malé závady. Musíte měřit Z0 a udržovat ji v toleranci. Pokud tomu tak není, musí být deska vyřazena. Nepřepracovávejte.

Šíření signálu a přenosová vedení

1. Definice vedení pro přenos signálu

1. Z elektromagnetické teorie vyplývá, že kratší vlnová délka (λ) znamená vyšší frekvenci (f). Jejich součin se rovná rychlosti světla. To znamená:

2. Jakékoli zařízení může mít vysokou frekvenci signálu. Po průchodu signálu stopou na desce plošných spojů se může signál zpomalit nebo zpozdit.

Kratší délka stopy je tedy lepší.

3. Pomáhá zvýšení hustoty zapojení nebo zmenšení velikosti vodičů. Když se však frekvence součástek zvýší nebo se zkrátí periody pulzů, může se délka stopy přiblížit části vlnové délky signálu. Pak stopa vykazuje zjevné zkreslení.

4. V bodě 3.4.4 normy IPC-2141 se uvádí: pokud se délka stopy blíží 1/7 vlnové délky signálu, považuje se stopa za vedení pro přenos signálu.

5. Příklad:

Zařízení má frekvenci signálu f = 10 MHz. Délka stopy na desce plošných spojů je 50 cm. Je třeba řídit charakteristickou impedanci?

Počítejte:

Protože 1/60 je mnohem méně než 1/7, je tato stopa normálním vodičem a nepotřebuje řízení charakteristické impedance.

Maxwellovy rovnice říkají: rychlost šíření sinusové vlny VS v prostředí souvisí s rychlostí světla C a dielektrickou konstantou εr takto:

Je-li εr = 1, rychlost signálu se rovná rychlosti světla = 3 × 10^10 cm/s.

2. Přenosová rychlost a dielektrická konstanta

Rychlost signálu při 30 MHz pro různé materiály:

Z tabulky vyplývá, že s rostoucím εr klesá rychlost signálu v materiálu. Chcete-li dosáhnout vyšší rychlosti signálu, zvolte vyšší charakteristickou impedanci. Chcete-li získat vyšší Z0, zvolte nižší εr materiálu. PTFE má nejmenší εr, takže poskytuje nejvyšší rychlost.

Deska fr4 používá epoxidovou pryskyřici a E-sklo. Její εr je přibližně 4,7. Rychlost signálu je 138 m/μs. Změna systému pryskyřice může změnit εr.

Důvody pro kontrolu charakteristické impedance

Důvod 1

Když běží elektronické zařízení (počítač, komunikace), ovladač vysílá signál do přijímače prostřednictvím stop na desce plošných spojů. Charakteristická impedance Z0 stopy musí odpovídat elektronické impedanci ovladače a přijímače. Pokud je shodná, energie signálu se přenáší úplně.

Důvod 2

Pokud je kvalita PCB špatná a Z0 je mimo toleranci, signály se odrážejí, rozptylují, zeslabují nebo zpožďují. V závažných případech mohou být signály špatné a zařízení se může zhroutit.

Důvod 3

Aby vícevrstvá deska Z0 splňovala specifikace zákazníka, je nutný přísný výběr materiálu a kontrola procesu. Komponenty s vyšší elektronickou impedancí obvykle vyžadují vyšší Z0 desky plošných spojů, aby odpovídala. Vícevrstvá deska se správnou Z0 je kvalifikovaný vysokorychlostní nebo vysokofrekvenční výrobek.

Vztah Z0 k materiálu a procesu

Vzorec pro charakteristickou impedanci mikropáskového vedení Z0:

Kde:

• εr - dielektrická konstanta

• H - tloušťka dielektrika

• W - šířka stopy

• T - tloušťka stopy

Nižší εr usnadňuje zvýšení Z0, aby odpovídalo vysokorychlostním součástkám.

1. Z0 a εr

Z0 je nepřímo úměrná εr. Z0 roste s rostoucím H. Pro přísné Z0 vysokofrekvenčních vedení musí být tolerance tloušťky dielektrika přísná. Obvykle nesmí změna tloušťky dielektrika překročit 10%.

2. Efekt tloušťky dielektrika

Při vyšší hustotě trasování vede větší H k většímu elektromagnetickému rušení. U vysokofrekvenčních a vysokorychlostních digitálních vedení je třeba s rostoucí hustotou vedení zmenšit tloušťku dielektrika, aby se snížilo EMI a přeslechy, nebo použít materiály s nižším εr.

Ze vzorce vyplývá, že důležitým faktorem je tloušťka mědi T. Větší T snižuje Z0, ale změna je malá.

3. Vliv tloušťky mědi

Tenčí měď poskytuje vyšší Z0, ale její vliv na Z0 je malý. Použití tenké mědi pomáhá vytvořit jemné stopy a to pomáhá kontrolovat Z0 více než samotná hodnota tloušťky mědi.

Ze vzorce:

Se zmenšováním W (šířky stopy) se Z0 zvětšuje. Změna šířky má na Z0 větší vliv než změna tloušťky.

4. Efekt šířky stopy

Z0 se prudce zvětšuje se zužující se šířkou W. Chcete-li kontrolovat Z0, kontrolujte pevně šířku stopy. Většina vysokofrekvenčních a vysokorychlostních digitálních stop má dnes šířku například 0,10 mm nebo 0,13 mm. Tradiční tolerance šířky byla ±20%. Pro stopy, které nejsou přenosovými linkami (délka stopy << vlnová délka signálu / 7), může být ±20% v pořádku. Ale pro stopy řízené Z0 nemůže chyba šířky ±20% splňovat požadavky. V takovém případě chyba Z0 často přesahuje ±10%.

Příklad:

Mikropáska na desce plošných spojů má šířku 100 μm, tloušťku 20 μm a tloušťku dielektrika 100 μm. Předpokládejte, že tloušťka mědi je rovnoměrná. Pokud se šířka změní ±20%, může Z0 splňovat ±10%?

Podle vzorce:

Nechť W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Pak Z01 / Z02 = 1,20. Z0 tedy právě dosahuje ±10%, nikoliv v rámci ±10%. Aby se Z0 dostalo do ±10%, musí být odchylka šířky mnohem menší než ±20%. Aby bylo Z0 ≤ ±5%, musí být tolerance šířky ≤ ±10%.

To vysvětluje, proč některé desky plošných spojů z PTFE a některé desky plošných spojů z fr4 vyžadují toleranci šířky ±0,02 mm. Důvodem je kontrola Z0.

Řízení procesu pro charakteristickou impedanci

1. Kontrola a inspekce výroby filmu
   Udržujte konstantní teplotu a vlhkost (21±2°C, 55±5%), udržujte čistou místnost a provádějte kompenzaci šířky procesu.

2. Design panelu
   Okraje panelů by neměly být příliš úzké. Zajistěte rovnoměrné pokovení. Při galvanickém pokovování použijte pseudokatodu k rozdělení proudu. Na okraj panelu přidejte kupón pro testování Z0.

3. Leptání
   Řízení procesních parametrů pro snížení podřezání. Proveďte kontrolu prvního průchodu. Snižte zbytkovou měď, měděné otřepy a měděné odřezky. Zkontrolujte šířku stopy a udržujte ji v požadovaném rozsahu (±10% nebo ±0,02 mm).

4. Kontrola AOI
   U vnitřních vrstev najděte mezery ve stopách a výstupky. U vysokorychlostních signálů 2 GHz musí i mezera 0,05 mm způsobit vyřazení desky. Kontrola šířky vnitřní vrstvy a defektů je klíčová.

5. Laminování
   Pro snížení tlaku a snížení průtoku pryskyřice použijte vakuovou laminaci. Uchovávejte více pryskyřice, protože pryskyřice ovlivňuje εr. Více pryskyřice často snižuje εr. Kontrolujte toleranci tloušťky laminace. Pokud je tloušťka hotové desky nerovnoměrná, mění se tloušťka dielektrika a ovlivňuje Z0.

6. Výběr dobrého základního materiálu
   Přísně dodržujte model materiálu zákazníka. Špatný model znamená špatný εr, špatnou tloušťku. Úplný proces provedený s nesprávným materiálem má stále za následek zmetky, protože Z0 silně závisí na εr.

7. Pájecí maska (coverlay)
   Pájecí maska na povrchu desky může snížit Z0 o 1-3 Ω. Teoreticky by tloušťka pájecí masky neměla být příliš silná. V praxi není efekt velký. Před pájecí maskou se povrch vodiče stýká se vzduchem (εr = 1), takže naměřená Z0 je vyšší. Po pájecí masce klesne Z0 o 1-3 Ω, protože εr pájecí masky je přibližně 4,0.

8. Absorpce vlhkosti
   Zabraňte absorpci vlhkosti v hotových vícevrstvých deskách. Voda má εr ≈ 75. Vlhkost způsobuje velký pokles Z0 a nestabilitu.

Souhrn

U vícevrstvých přenosových vedení na deskách jsou běžné rozsahy regulace Z0:

• 50 Ω ±10%

• 75 Ω ±10%

• 28 Ω ±10%

Pro kontrolu variability vezměte v úvahu tyto čtyři hlavní faktory:

1. Šířka stopy W

2. Tloušťka stopy T

3. Tloušťka dielektrika H

4. Dielektrická konstanta εr

Největší vliv má dielektrická tloušťka H. Následuje dielektrická konstanta εr. Dále šířka stopy W. Nejmenší vliv má tloušťka stopy T. Po volbě základního materiálu je změna εr malá. H lze regulovat, ale stále se mění. T je snadněji kontrolovatelná. Řízení šířky stopy W v rozmezí ±10% je obtížné. Záleží také na problémech se stopou, jako jsou dírky, mezery a promáčkliny. V mnoha ohledech je nejefektivnější a nejdůležitější metodou řízení Z0 přesné řízení a nastavení šířky stopy.