Impedans PCB'er - optimer signalintegriteten

Hvad er PCB Impedance Control?

PCB-impedansstyring betyder at kontrollere impedansen af spor. Denne impedans kaldes også kontrolleret impedans. Kontrolleret impedans er den karakteristiske impedans for en transmissionslinje, der er dannet af PCB-baner og deres referenceplaner. Når højfrekvente signaler bevæger sig på PCB-transmissionslinjer, betyder det noget. Kontrolleret impedans er vigtig for at løse problemer med signalintegritet. Signalintegritet betyder, at signalet bevæger sig uden forvrængning.

Kredsløbsimpedansen bestemmes af PCB'ets fysiske størrelse og det dielektriske materiale. Den måles i ohm (Ω). Typer af PCB-transmissionslinjer, der har brug for impedanskontrol, omfatter single-ended microstrip, single-ended stripline, differential microstrip pair, differential stripline pair, embedded microstrip og coplanar (single-ended og differential).

Almindelige metoder til at opnå impedansstyring

1. Brug PCB-lagstruktur

PCB-designere kan bruge kortets lagstabel til at styre impedansen. Placer forskellige signallag på forskellige positioner for at kontrollere kapacitans og induktans mellem lagene. Normalt bruger de indre lag højere impedans, og de ydre lag bruger lavere impedans for at reducere refleksion og krydstale.

2. Brug differentielle signallinjer

Differentielle par giver bedre støjafvisning og lavere risiko for krydstale. Et differentielt par er to parallelle ledere. Deres spændinger er lige store og har modsatrettet polaritet. Differentielle par giver bedre signalintegritet og støjmodstand. Impedansen for et differentielt par styres af afstanden, sporbredden og jordplanets layout.

3. Kontrolsporets geometri

Sporbredde, afstand og layoutgeometri kan også styre impedansen. For almindelige mikrostriber sænker bredere spor og større afstand impedansen. For koaksiale strukturer hæver en mindre indre leder og en større ydre lederradius impedansen. Vælg banegeometri baseret på målimpedans og signalfrekvens.

4. Vælg PCB-materialer

PCB-materialets dielektriske konstant påvirker impedansen. At vælge materialer med stabile dielektriske egenskaber er en del af impedansstyringen. Til højfrekvens- og højhastighedsbrug er almindelige materialer fr4 (glas-epoxy), PTFE (teflon) og RF-laminater.

5. Brug simulerings- og designværktøjer

Brug simulerings- og designværktøjer til at kontrollere og optimere impedansen før det endelige PCB-layout. Disse værktøjer simulerer kredsløbsadfærd, signaltab og elektromagnetiske interaktioner. De hjælper med at finde de bedste kortparametre. Almindelige værktøjer omfatter CST Studio Suite, HyperLynx og ADS.

Effekter af PCB-produktion på impedans

Sporbredde

Sporbredden påvirker direkte transmissionslinjens impedans og tab. De fleste gode ingeniører giver printkortproducenten en tolerance for sporbredden med Gerber-filer. Hvis en sporbredde f.eks. er designet som 6,2 mil, og dens impedans er 50 ohm, vil ustabilitet i produktionen, der ændrer sporbredden, ændre impedansen. Ud fra erfaring med mange fabrikker kan sporbredden variere omkring 10%. Vi kan modellere ændringer i sporbredden som en gaussisk fordeling med en standardafvigelse på 10%.

Tykkelse af kobberfolie/belagt kobber

I PCB-produkter består kobbertykkelsen af to dele: basiskobbertykkelse og belagt kobbertykkelse. Basiskobber er relativt ensartet, men belagt kobbers ensartethed afhænger af fabriksprocessen. Belagt kobber kan variere meget mellem fabrikkerne. Forskellige tykkelser af belagt kobber vil ændre sporimpedans og -tab. Impedansen kan variere inden for et lille område, f.eks. mellem 49,5 og 51 ohm. Sammenlignet med sporbredden har kobbertykkelsen en mindre effekt på impedansen.

Dielektrisk tykkelse

Ved fremstilling af printkort kommer ændringer i den dielektriske tykkelse fra variationer i råmaterialet, lamineringstryk og limfyldning. Hvis den dielektriske tykkelse ændres, ændres impedans og tab. I alvorlige tilfælde vil transmissionslinjer have stort tab. Impedansen kan variere fra ca. 44 ohm til 54 ohm. Intervallet kan være så bredt som 10 ohm.

Ætsningsfaktor

Lederne har en begrænset tykkelse. Efter ætsning er sporene ikke perfekte rektangler. De ligner mere et trapez. Trapezvinklen ændrer sig med kobbertykkelsen (inklusive plettering). Når kobberet er tyndt, nærmer sidevægsvinklen sig 90°. Vinkelstørrelsen påvirker impedansen. Når sidevæggen f.eks. er 70°, er impedansen ca. 50 ohm. Når vinklen er 90°, er impedansen ca. 48,37 ohm.

Ovenstående test ændrer én faktor ad gangen. I den virkelige produktion ændres flere variabler på én gang. Impedansen kan variere fra ca. 40 ohm til 56 ohm. Dette overstiger langt et typisk krav som 50Ω ±10%. Under produktionen er der mange parametre, der forårsager impedansændringer. For højhastigheds- eller high-end-produkter skal PCB-designet og fremstillingsprocessen nøje kontrollere alle materialer og trin. Ellers kan der opstå uventede problemer med produktet.

Impedans og karakteristisk impedans

1. Modstand

Når en vekselstrøm løber i en leder, kaldes den modstand, den møder, for impedans (Impedance). Symbolet er Z. Enheden er stadig ohm (Ω). Denne modstand adskiller sig fra DC-modstand. I vekselstrøm er der ud over modstand (R) også induktiv reaktans (XL) og kapacitiv reaktans (XC).

For at skelne fra jævnstrømsmodstand kalder vi vekselstrømsmodstand for impedans (Z).

Formlen:

2. Impedans (Z)

Med højere IC-integration og højere signalfrekvens og -hastighed kan signaler på PCB-spor blive påvirket af selve PCB-sporet. Når signalfrekvensen når en grænse, forårsager sporet alvorlig signalforvrængning eller -tab. Det viser, at PCB-spor ikke kun bærer strøm, men også energi i form af impulser eller firkantbølgesignaler.

3. Kontrol af karakteristisk impedans (Z0)

Den modstand, et signal møder, når det bevæger sig, kaldes karakteristisk impedans. Symbolet er Z0.

Så det er ikke nok kun at fikse “åben”, “kort” og tilslutningsmuligheder. For højhastigheds- og højfrekvente transmissionslinjer skal kvaliteten være strengere. Det er ikke nok at bestå en åben/kortslutningstest eller at have små defekter. Du skal måle Z0 og holde den inden for tolerancen. Hvis ikke, skal kortet skrottes. Lad være med at omarbejde.

Signaludbredelse og transmissionslinjer

1. Definition af en signaltransmissionslinje

1. Ifølge elektromagnetisk teori betyder kortere bølgelængde (λ) højere frekvens (f). Deres produkt er lig med lysets hastighed. Det vil sige, at

2. Enhver enhed kan have en høj signalfrekvens. Når signalet bevæger sig gennem et PCB-spor, kan det blive langsommere eller forsinket.

Så kortere sporlængde er bedre.

3. Det hjælper at øge ledningstætheden eller reducere ledningsstørrelsen. Men når komponentfrekvensen bliver højere, eller pulsperioderne bliver kortere, kan sporlængden nærme sig en del af signalets bølgelængde. Så vil sporet vise tydelig forvrængning.

4. IPC-2141 paragraf 3.4.4 siger: Når en sporlængde nærmer sig 1/7 af signalets bølgelængde, behandles sporet som en signaltransmissionslinje.

5. Et eksempel:

En enhed har signalfrekvensen f = 10 MHz. PCB-sporlængden er 50 cm. Har vi brug for kontrol af den karakteristiske impedans?

Regn det ud:

Fordi 1/60 er meget mindre end 1/7, er dette spor en normal ledning og behøver ikke karakteristisk impedansstyring.

Maxwells ligninger fortæller os, at udbredelseshastigheden VS for en sinusbølge i et medium hænger sammen med lysets hastighed C og den dielektriske konstant εr:

Når εr = 1, er signalhastigheden lig med lysets hastighed = 3 × 10^10 cm/s.

2. Transmissionshastighed og dielektrisk konstant

Signalhastighed ved 30 MHz for forskellige materialer:

Tabellen viser: Når εr stiger, falder signalhastigheden i materialet. For at få højere signalhastighed skal du vælge højere karakteristisk impedans. For at få højere Z0 skal du vælge et materiale med lavere εr. PTFE har den mindste εr, så det giver den hurtigste hastighed.

fr4 board bruger epoxyharpiks plus E-glas. Dens εr er ca. 4,7. Signalhastigheden er 138 m/μs. Ændring af harpikssystemet kan ændre εr.

Årsager til at kontrollere karakteristisk impedans

Årsag 1

Når elektronisk udstyr (computer, kommunikation) kører, sender driveren et signal til modtageren gennem PCB-spor. Sporets karakteristiske impedans Z0 skal matche driverens og modtagerens elektroniske impedans. Hvis de matcher, overføres signalenergien fuldstændigt.

Årsag 2

Hvis PCB-kvaliteten er dårlig, og Z0 er uden for tolerance, vil signalerne reflekteres, spredes, dæmpes eller forsinkes. I alvorlige tilfælde kan signalerne være forkerte, og enheden kan gå ned.

Årsag 3

Strengt materialevalg og proceskontrol er nødvendigt, så flerlagsplade Z0 opfylder kundens specifikationer. Komponenter med højere elektronisk impedans har normalt brug for højere PCB Z0 for at matche. Et flerlagskort med korrekt Z0 er et kvalificeret højhastigheds- eller højfrekvensprodukt.

Forholdet mellem Z0 og materiale og proces

Formlen for mikrostripens karakteristiske impedans Z0:

Hvor?

• εr - dielektrisk konstant

• H - dielektrisk tykkelse

• W - sporbredde

• T - sporets tykkelse

Lavere εr gør det lettere at hæve Z0 for at matche højhastighedskomponenter.

1. Z0 og εr

Z0 er omvendt relateret til εr. Z0 stiger, når H stiger. For højfrekvente linjer med streng Z0 skal tolerancen for dielektrisk tykkelse være streng. Normalt må ændringen i dielektrisk tykkelse ikke overstige 10%.

2. Dielektrisk tykkelseseffekt

Med højere rutetæthed fører større H til mere elektromagnetisk interferens. Når ledertætheden stiger for højfrekvente og hurtige digitale linjer, skal man reducere den dielektriske tykkelse for at mindske EMI og krydstale eller bruge materialer med lavere εr.

Af formlen fremgår det, at kobbertykkelsen T er en vigtig faktor. Større T sænker Z0, men ændringen er lille.

3. Effekt af kobbertykkelse

Tyndere kobber giver højere Z0, men effekten på Z0 er lille. At bruge tyndt kobber hjælper med at lave fine spor, og det hjælper med at kontrollere Z0 mere end kobbertykkelsesværdien alene.

Ud fra formlen:

Når W (sporbredde) falder, stiger Z0. Ændring af bredden har større indflydelse på Z0 end ændring af tykkelsen.

4. Effekt af sporbredde

Z0 stiger kraftigt, når bredden W bliver smallere. For at kontrollere Z0 skal du kontrollere sporbredden nøje. I dag har de fleste højfrekvente og højhastigheds digitale spor en bredde på 0,10 mm eller 0,13 mm. Traditionelt var breddetolerancen ±20%. For ikke-transmissionslinjespor (sporlængde << signalbølgelængde / 7) kan ±20% være fint. Men for Z0-kontrollerede spor kan ±20%-breddefejl ikke opfylde kravene. På det tidspunkt overstiger Z0-fejlen ofte ±10%.

Et eksempel:

En PCB-mikrostribe har en bredde på 100 μm, en tykkelse på 20 μm og en dielektrisk tykkelse på 100 μm. Antag, at kobbertykkelsen er ensartet. Hvis bredden ændres ±20%, kan Z0 så opfylde ±10%?

Med en formel:

Lad W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Så er Z01 / Z02 = 1,20. Så Z0 når lige til ±10%, ikke inden for ±10%. For at få Z0 inden for ±10% skal breddevariationen være meget mindre end ±20%. For at få Z0 ≤ ±5% skal breddetolerancen være ≤ ±10%.

Det forklarer, hvorfor nogle PTFE-printkort og nogle fr4-printkort kræver en breddetolerance på ±0,02 mm. Årsagen er at kontrollere Z0.

Proceskontrol for karakteristisk impedans

1. Kontrol og inspektion af filmproduktion
   Hold konstant temperatur og luftfugtighed (21±2°C, 55±5%), hold et rent rum, og foretag breddeproceskompensation.

2. Design af panel
   Panelkanterne må ikke være for smalle. Gør pletteringen ensartet. Brug pseudo-katode i galvaniseringen for at fordele strømmen. Tilføj en kupon på panelkanten for at teste Z0.

3. Ætsning
   Styr procesparametrene for at reducere underskæringer. Udfør førstegangsinspektion. Reducer resterende kobber, kobbergrater og kobberrester. Kontrollér sporbredden, og hold den inden for det krævede område (±10% eller ±0,02 mm).

4. AOI-inspektion
   I de indre lag skal du finde sporhuller og fremspring. Ved 2 GHz højhastighedssignaler kan selv et hul på 0,05 mm medføre kassation af kortet. Kontrol af det indre lags bredde og defekter er nøglen.

5. Laminering
   Brug vakuumlaminering for at sænke trykket og reducere harpiksflowet. Opbevar mere harpiks, fordi harpiks påvirker εr. Mere harpiks sænker ofte εr. Kontrollér tolerancen for lamineringstykkelsen. Hvis den færdige pladetykkelse er ujævn, varierer den dielektriske tykkelse og påvirker Z0.

6. Vælg et godt grundmateriale
   Følg nøje kundens materialemodel. Forkert model betyder forkert εr, forkert tykkelse. En fuld proces udført med forkert materiale resulterer stadig i skrot, fordi Z0 afhænger stærkt af εr.

7. Loddemaske (coverlay)
   Loddemasken på kortets overflade kan sænke Z0 med 1-3 Ω. I teorien bør loddemaskens tykkelse ikke være for tyk. I praksis er effekten ikke enorm. Før loddemasken har lederoverfladen kontakt med luft (εr = 1), så den målte Z0 er højere. Efter loddemasken falder Z0 1-3 Ω, fordi loddemaskens εr er ca. 4,0.

8. Absorption af fugt
   Undgå fugtoptagelse i færdige flerlagsplader. Vand har εr ≈ 75. Fugt forårsager stort Z0-fald og ustabilitet.

Sammenfatning

For transmissionslinjer på flerlagskort er almindelige Z0-kontrolområder:

• 50 Ω ±10%

• 75 Ω ±10%

• 28 Ω ±10%

For at kontrollere variationen skal du overveje disse fire hovedfaktorer:

1. Sporbredde W

2. Sporets tykkelse T

3. Dielektrisk tykkelse H

4. Dielektrisk konstant εr

Den største indflydelse er den dielektriske tykkelse H. Den næste er den dielektriske konstant εr. Derefter sporbredde W. Den mindste er sporetykkelse T. Når man har valgt basismateriale, er ændringen i εr lille. H kan kontrolleres, men varierer stadig. T er lettere at kontrollere. Det er svært at styre sporbredden W inden for ±10%. Sporproblemer som pinholes, huller og buler betyder også noget. På mange måder er den mest effektive og vigtige metode til at kontrollere Z0 at kontrollere og justere sporbredden præcist.