کنترل امپدانس PCB چیست؟
کنترل امپدانس PCB به معنای کنترل امپدانس ردها است. این امپدانس همچنین به نام امپدانس کنترلشده نیز شناخته میشود. امپدانس کنترلشده، امپدانس مشخصهٔ یک خط انتقال است که توسط ردها و سطوح مرجع PCB تشکیل میشود. وقتی سیگنالهای فرکانس بالا در خطوط انتقال PCB حرکت میکنند، این موضوع اهمیت دارد. امپدانس کنترلشده برای حل مشکلات یکپارچگی سیگنال اهمیت دارد. یکپارچگی سیگنال به معنای عبور سیگنال بدون اعوجاج است.
امپدانس مدار توسط اندازهٔ فیزیکی PCB و مادهٔ دیالکتریک تعیین میشود. واحد اندازهگیری آن اهم (Ω) است. انواع خطوط انتقال PCB که نیاز به کنترل امپدانس دارند عبارتند از: میکرواستریپ تکپایان، استریپلین تکپایان، جفت میکرواستریپ تفاضلی، جفت استریپلین تفاضلی، میکرواستریپ توکار و کوپلنار (تکپایان و تفاضلی).
روشهای رایج برای دستیابی به کنترل امپدانس
۱. از ساختار لایه PCB استفاده کنید
طراحان PCB میتوانند از استک لایههای برد برای کنترل امپدانس استفاده کنند. با قرار دادن لایههای سیگنال مختلف در موقعیتهای متفاوت، ظرفیت و القا بین لایهها را کنترل میکنند. معمولاً لایههای داخلی از امپدانسهای بالاتر و لایههای خارجی از امپدانسهای پایینتر استفاده میکنند تا بازتاب و تداخل سیگنال کاهش یابد.
۲. از خطوط سیگنال تفاضلی استفاده کنید
جفتهای تفاضلی رد نویز بهتری را فراهم میکنند و خطر تداخل را کاهش میدهند. جفت تفاضلی شامل دو هادی موازی است که ولتاژهای آنها از نظر مقدار برابر و از نظر قطبیت مخالف هستند. جفتهای تفاضلی یکپارچگی سیگنال و مقاومت در برابر نویز بهتری را ارائه میدهند. امپدانس یک جفت تفاضلی توسط فاصله بین هادیها، عرض مسیر و چیدمان صفحه زمین کنترل میشود.
۳. کنترل هندسه ردیابی
عرض مسیر، فاصلهگذاری و هندسه چیدمان نیز میتوانند امپدانس را کنترل کنند. در میکرواستریپهای معمولی، مسیرهای پهنتر و فاصلههای بزرگتر امپدانس را کاهش میدهند. در ساختارهای کواکسیال، هادی داخلی کوچکتر و شعاع هادی خارجی بزرگتر امپدانس را افزایش میدهند. هندسه مسیر را بر اساس امپدانس هدف و فرکانس سیگنال انتخاب کنید.
۴. انتخاب مواد PCB
ثابت دیالکتریک ماده برد مدار چاپی بر امپدانس تأثیر میگذارد. انتخاب موادی با خواص دیالکتریک پایدار بخشی از کنترل امپدانس است. برای کاربردهای فرکانس بالا و سرعت بالا، مواد رایج عبارتند از FR4 (شیشه-اپوکسی)، PTFE (تفلون) و لمینتهای RF.
۵. از ابزارهای شبیهسازی و طراحی استفاده کنید
قبل از نهاییسازی چیدمان برد مدار چاپی، از شبیهسازی و ابزارهای طراحی برای بررسی و بهینهسازی امپدانس استفاده کنید. این ابزارها رفتار مدار، تلفات سیگنال و تعاملات الکترومغناطیسی را شبیهسازی میکنند و به یافتن بهترین پارامترهای برد کمک میکنند. ابزارهای رایج شامل CST Studio Suite، HyperLynx و ADS هستند.
تأثیر تولید PCB بر امپدانس
عرض ردیابی
عرض مسیر بهطور مستقیم بر امپدانس و اتلاف خط انتقال تأثیر میگذارد. اکثر مهندسان خوب هنگام ارسال فایلهای گربر به سازنده PCB، تلرانس عرض مسیر را مشخص میکنند. برای مثال، اگر عرض یک مسیر 6.2 میل طراحی شده و امپدانس آن 50 اهم باشد، ناپایداری در فرآیند تولید که عرض مسیر را تغییر میدهد، امپدانس را نیز تغییر خواهد داد. بر اساس تجربه با کارخانههای متعدد، عرض مسیر ممکن است حدود 10% تغییر کند. میتوان تغییر عرض مسیر را به صورت توزیع گاوسی با انحراف معیار 10% مدلسازی کرد.
ورق/روکش مسی ضخامت
در محصولات PCB، ضخامت مس دو بخش دارد: ضخامت مس پایه و ضخامت مس آبکاریشده. ضخامت مس پایه نسبتاً یکنواخت است، اما یکنواختی مس آبکاریشده به فرآیند کارخانه بستگی دارد. ضخامت مس آبکاریشده ممکن است بین کارخانهها تفاوت زیادی داشته باشد. ضخامتهای مختلف مس آبکاریشده، امپدانس و اتلاف مسیر را تغییر میدهند. امپدانس ممکن است در یک محدوده کوچک، مثلاً بین ۴۹٫۵ و ۵۱ اهم، متغیر باشد. در مقایسه با عرض مسیر، ضخامت مس تأثیر کمتری بر امپدانس دارد.
ضخامت دیالکتریک
در ساخت PCB، تغییرات ضخامت دیالکتریک ناشی از نوسان مواد اولیه، فشار لمینیت و میزان پر شدن با چسب است. اگر ضخامت دیالکتریک تغییر کند، امپدانس و اتلاف نیز تغییر خواهند کرد. در موارد شدید، خطوط انتقال دارای اتلاف زیادی خواهند بود. امپدانس ممکن است از حدود ۴۴ اهم تا ۵۴ اهم متغیر باشد. این بازه میتواند تا ۱۰ اهم گسترده باشد.
عامل حکاکی
رساناها ضخامت محدودی دارند. پس از حکاکی، ردها مستطیلهای کاملی نیستند. آنها بیشتر شبیه لوزی هستند. زاویه لوزی با تغییر ضخامت مس (شامل آبکاری) تغییر میکند. وقتی مس نازک است، زاویه دیواره جانبی به ۹۰ درجه نزدیک میشود. اندازه زاویه بر امپدانس تأثیر میگذارد. برای مثال، وقتی زاویه دیواره جانبی ۷۰° باشد، امپدانس حدود ۵۰ اهم است. وقتی زاویه ۹۰° باشد، امپدانس حدود ۴۸٫۳۷ اهم است.
آزمایشهای فوق هر بار یک عامل را تغییر میدهند. در تولید واقعی، چندین متغیر همزمان تغییر میکنند. امپدانس میتواند از حدود ۴۰ اهم تا ۵۶ اهم متغیر باشد. این مقدار بسیار فراتر از یک نیازمندی معمول مانند ۵۰ اهم ±۱۰٪ است. در حین تولید، پارامترهای زیادی باعث تغییر امپدانس میشوند. برای محصولات پرسرعت یا ردهبالا، طراحی PCB و فرآیند ساخت باید هر ماده و هر مرحله را بهدقت کنترل کنند. در غیر این صورت، محصول ممکن است مشکلات غیرمنتظرهای از خود نشان دهد.
امپدانس و امپدانس مشخصه
۱. مقاومت
وقتی جریان متناوب در یک رسانا جریان مییابد، مخالفتی که با آن مواجه میشود امپدانس نامیده میشود. نماد آن Z و واحد آن همچنان اهم (Ω) است. این مخالفت با مقاومت جریان مستقیم متفاوت است. در جریان متناوب علاوه بر مقاومت (R)، دو واکنش القایی (XL) و واکنش خازنی (XC) نیز وجود دارد.
برای تمایز از مقاومت DC، مخالفت جریان متناوب را امپدانس (Z) بنامید.
فرمول:
۲. امپدانس (Z)
با افزایش یکپارچگی مدارهای مجتمع (IC)، فرکانس و سرعت سیگنال، سیگنالها روی ردپاهای PCB میتوانند تحت تأثیر خود ردپا قرار گیرند. وقتی فرکانس سیگنال به حد مشخصی برسد، ردپا باعث اعوجاج یا تلفات جدی سیگنال میشود. این نشان میدهد که ردپاهای PCB نه تنها جریان بلکه انرژی را بهصورت پالسها یا سیگنالهای موج مربعی منتقل میکنند.
۳. کنترل امپدانس مشخصه (Z0)
مقاومتی که یک سیگنال هنگام عبور از آن میبیند، امپدانس مشخصه نامیده میشود. نماد آن Z0 است.
بنابراین رفع تنها خطاهای “باز”، “کوتاه” و مشکلات اتصال کافی نیست. برای خطوط انتقال با سرعت و فرکانس بالا، کیفیت باید سختگیرانهتر باشد. قبولی در آزمون باز/کوتاه یا داشتن نقصهای جزئی کافی نیست. باید Z0 را اندازهگیری کرده و آن را در محدوده تلرانس نگه دارید. در غیر این صورت، برد باید دور ریخته شود. از تعمیر مجدد خودداری کنید.
انتشار سیگنال و خطوط انتقال
۱. تعریف یک خط انتقال سیگنال
بر اساس نظریه الکترومغناطیس، طول موج کوتاهتر (λ) به معنای فرکانس بالاتر (f) است. حاصلضرب آنها برابر با سرعت نور است. یعنی:
هر دستگاهی ممکن است فرکانس سیگنال بالایی داشته باشد. پس از عبور سیگنال از مسیر برد مدار چاپی، ممکن است سرعت سیگنال کاهش یابد یا با تأخیر مواجه شود.
بنابراین، طول ردپای کوتاهتر بهتر است.
افزایش چگالی سیمکشی یا کاهش قطر سیمها کمک میکند. اما وقتی فرکانس قطعات بالاتر میرود یا دورههای پالس کوتاهتر میشوند، طول مسیر ممکن است به بخشی از طول موج سیگنال نزدیک شود. در این صورت مسیر ردیابی اعوجاج آشکاری نشان خواهد داد.
بند ۳.۴.۴ از IPC-2141 میگوید: وقتی طول ردپای برداری به ۱/۷ طول موج سیگنال نزدیک میشود، آن ردپا بهعنوان یک خط انتقال سیگنال در نظر گرفته میشود.
مثال:
یک دستگاه دارای فرکانس سیگنال f = 10 مگاهرتز است. طول مسیر برد مدار چاپی 50 سانتیمتر است. آیا به کنترل امپدانس مشخصه نیاز داریم؟
محاسبه:
از آنجا که ۱/۶۰ بسیار کمتر از ۱/۷ است، این رد ردیابی یک سیم معمولی است و نیازی به کنترل امپدانس مشخصه ندارد.
معادلات ماکسول به ما میگویند: سرعت انتشار VS یک موج سینوسی در یک محیط با سرعت نور C و ثابت دیالکتریک εr به صورت زیر مرتبط است:
وقتی εr = 1 است، سرعت سیگنال برابر با سرعت نور = ۳ × ۱۰^۱۰ سانتیمتر بر ثانیه است.
۲. سرعت انتقال و ثابت دیالکتریک
سرعت سیگنال در فرکانس ۳۰ مگاهرتز برای مواد مختلف:
| مواد / زیرلایه | Tg (°C) | ثابت دیالکتریک εr | سرعت سیگنال (متر بر میکروثانیه) |
|---|---|---|---|
| خلاء | / | 1.0 | 300.00 |
| پیتیافای (تفلون) | / | 2.2 | 202.26 |
| اتر پلیفنلن ترموسیت | 210 | 2.5 | 189.74 |
| استر سیانات | 225 | 3.0 | 173.21 |
| PTFE + شیشهٔ E | / | 2.6 | 186.25 |
| استر سیانات + شیشه | 225 | 3.7 | 155.96 |
| پلیمید + شیشه | 230 | 4.5 | 141.42 |
| کوارتز | / | 3.9 | 151.98 |
| شیشه اپوکسی (FR4) | ۱۳۰±۵ | 4.7 | 138.38 |
| آلومینیوم | / | 9.0 | 100.00 |
جدول نشان میدهد که با افزایش εr، سرعت سیگنال در ماده کاهش مییابد. برای دستیابی به سرعت سیگنال بالاتر، امپدانس مشخصه را بالاتر انتخاب کنید. برای رسیدن به Z0 بالاتر، مادهای با εr پایینتر انتخاب کنید. PTFE کمترین εr را دارد، بنابراین سریعترین سرعت را ارائه میدهد.
برد FR4 از رزین اپوکسی و الیاف شیشه E استفاده میکند. εr آن حدود ۴٫۷ است. سرعت سیگنال ۱۳۸ متر بر میکروثانیه است. تغییر سیستم رزین میتواند εr را تغییر دهد.
دلایل کنترل امپدانس مشخصه
دلیل ۱
وقتی تجهیزات الکترونیکی (رایانه، ارتباطات) کار میکنند، فرستنده سیگنال را از طریق ردپاهای برد مدار چاپی (PCB) به گیرنده ارسال میکند. امپدانس مشخصه Z0 ردپا باید با امپدانس الکترونیکی فرستنده و گیرنده مطابقت داشته باشد. اگر تطابق برقرار باشد، انرژی سیگنال بهطور کامل منتقل میشود.
دلیل ۲
اگر کیفیت برد مدار چاپی (PCB) پایین باشد و Z0 از حد مجاز خارج شود، سیگنالها بازتاب، اتلاف، تضعیف یا تأخیر خواهند داشت. در موارد شدید، سیگنالها ممکن است نادرست باشند و دستگاه ممکن است از کار بیفتد.
دلیل ۳
انتخاب دقیق مواد و کنترل فرآیند ضروری است تا برد چندلایه با Z0 مطابق مشخصات مشتری باشد. اجزای با امپدانس الکترونیکی بالاتر معمولاً به Z0 بالاتر روی PCB نیاز دارند تا هماهنگ شوند. برد چندلایه با Z0 صحیح، محصولی واجد شرایط برای سرعت بالا یا فرکانس بالا است.
رابطه Z0 با ماده و فرآیند
فرمول امپدانس مشخصه میکرواستریپ Z0:
کجا:
εr — ثابت دیالکتریک
H — ضخامت دیالکتریک
W — عرض ردپا
T — ضخامت رد
کاهش εr باعث میشود افزایش Z0 برای تطبیق با قطعات پرسرعت آسانتر شود.
۱. Z0 و εr
Z0 معکوساً با εr مرتبط است. Z0 با افزایش H افزایش مییابد. برای خطوط فرکانس بالا با Z0 بالا، تلرانس ضخامت دیالکتریک باید سختگیرانه باشد. معمولاً تغییر ضخامت دیالکتریک نباید از 10% تجاوز کند.
۲. اثر ضخامت دیالکتریک
با افزایش تراکم مسیریابی، سیمهای بزرگتر منجر به تداخل الکترومغناطیسی بیشتری میشوند. برای خطوط دیجیتال با فرکانس بالا و سرعت زیاد، با افزایش تراکم رسانا، ضخامت دیالکتریک را کاهش دهید تا تداخل الکترومغناطیسی و نویز متقاطع کاهش یابد، یا از موادی با εr کمتر استفاده کنید.
از فرمول، ضخامت مس T یک عامل مهم است. افزایش T، Z0 را کاهش میدهد، اما این تغییر اندک است.
۳. تأثیر ضخامت مس
مس نازکتر مقدار Z0 بالاتری ایجاد میکند، اما تأثیر آن بر Z0 اندک است. استفاده از مس نازک به ایجاد ردهای ظریف کمک میکند و این موضوع بیش از خود مقدار ضخامت مس، در کنترل Z0 مؤثر است.
از فرمول:
با کاهش عرض ردیابی (W)، Z0 افزایش مییابد. تغییر عرض تأثیر بیشتری بر Z0 نسبت به تغییر ضخامت دارد.
۴. اثر عرض ردیف
Z0 با کاهش عرض W بهطور تند افزایش مییابد. برای کنترل Z0، عرض مسیر را بهدقت کنترل کنید. امروزه بیشتر مسیرهای دیجیتال با فرکانس و سرعت بالا عرضهایی مانند 0.10 میلیمتر یا 0.13 میلیمتر دارند. بهطور سنتی، تلرانس عرض ±20% بود. برای مسیرهایی که خط انتقال نیستند (طول مسیر << طول موج سیگنال / 7)، ±20% ممکن است مناسب باشد. اما برای مسیرهای کنترلشده از نظر Z0، خطای عرض ±20% نمیتواند نیازمندیها را برآورده کند. در این حالت خطای Z0 اغلب از ±10% فراتر میرود.
مثال:
یک میکروستریپ روی برد مدار چاپی (PCB) دارای عرض 100 میکرومتر، ضخامت 20 میکرومتر و ضخامت دیالکتریک 100 میکرومتر است. فرض کنید ضخامت مس یکنواخت باشد. اگر عرض ±20 تغییر کند، آیا Z0 میتواند ±10 را برآورده کند؟
به صورت فرمولی:
فرض کنید W0 = 100 میکرومتر، W1 = 80 میکرومتر، W2 = 120 میکرومتر، T = 20 میکرومتر، H = 100 میکرومتر. در این صورت Z01 / Z02 = 1.20. بنابراین Z0 تنها به ±10% میرسد، نه در محدوده ±10%. برای اینکه Z0 در محدوده ±10% قرار گیرد، تغییر عرض باید بسیار کمتر از ±20% باشد. برای اینکه Z0 ≤ ±5% باشد، تلرانس عرض باید ≤ ±10% باشد.
این موضوع توضیح میدهد که چرا برخی PCBهای PTFE و برخی PCBهای FR4 به تلرانس عرض ±0.02 میلیمتر نیاز دارند. دلیل آن کنترل Z0 است.
کنترلهای فرآیند برای امپدانس مشخصه
کنترل و بازرسی ساخت فیلم
دما و رطوبت را ثابت نگه دارید (۲۱±۲ درجه سانتیگراد، ۵۵±۵۱ درصد رطوبت)، اتاق را تمیز نگه دارید و جبران عرض را انجام دهید.طراحی پنل
لبههای پنل نباید خیلی باریک باشند. آبکاری را یکنواخت انجام دهید. برای توزیع جریان در الکتروپلیتینگ از کاتد صوری استفاده کنید. برای اندازهگیری Z0 یک کوپن روی لبه پنل اضافه کنید.نقاشیخوردگی
پارامترهای فرآیند را کنترل کنید تا undercut کاهش یابد. بازرسی مرحلهٔ اول را انجام دهید. مس باقیمانده، زائدههای مسی و ضایعات مسی را کاهش دهید. عرض رد را بررسی کرده و آن را در محدودهٔ مورد نیاز (±10% یا ±0.02 میلیمتر) نگه دارید.بازرسی ناحیه علاقه
برای لایههای داخلی، شکافها و برجستگیهای رد را پیدا کنید. برای سیگنالهای با سرعت بالای ۲ گیگاهرتز، حتی شکاف ۰٫۰۵ میلیمتری نیز باید منجر به دورریز برد شود. کنترل عرض و عیوب لایههای داخلی کلیدی است.لامیناسیون
از لمینیت خلاء برای کاهش فشار و کم کردن جریان رزین استفاده کنید. رزین بیشتری نگه دارید چون رزین بر εr تأثیر دارد. معمولاً رزین بیشتر، εr را کاهش میدهد. تلرانس ضخامت لمینیت را کنترل کنید. اگر ضخامت برد نهایی ناهموار باشد، ضخامت دیالکتریک متغیر شده و بر Z0 تأثیر میگذارد.مادهٔ پایهٔ مناسبی را انتخاب کنید
مدل ماده مشتری را دقیقاً رعایت کنید. مدل نادرست به معنای εr نادرست و ضخامت نادرست است. یک فرآیند کامل با ماده نادرست همچنان منجر به ضایعات میشود زیرا Z0 بهشدت به εr وابسته است.ماسک لحیمکاری (پوشش)
ماسک لحیم روی سطح برد میتواند Z0 را ۱–۳ اهم کاهش دهد. از نظر تئوری، ضخامت ماسک لحیم نباید خیلی زیاد باشد. در عمل تأثیر چندان زیادی ندارد. قبل از ماسک لحیم، سطح هادی با هوا (εr = 1) در تماس است، بنابراین Z0 اندازهگیریشده بالاتر است. پس از ماسک لحیم، Z0 به میزان ۱–۳ اهم کاهش مییابد زیرا εr ماسک لحیم حدود ۴.۰ است.جذب رطوبت
از جذب رطوبت در بردهای چندلایهٔ نهاییشده جلوگیری کنید. آب دارای εr ≈ 75 است. رطوبت باعث کاهش بزرگ Z0 و ناپایداری میشود.
خلاصه
برای خطوط انتقال بردهای چندلایه، محدودههای کنترل Z0 رایج عبارتند از:
۵۰ اهم ±۱۰۱TP3T
۷۵ اهم ±۱۰۱TP3T
۲۸ اهم ±۱۰۱TP3T
برای کنترل تغییرپذیری، این چهار عامل اصلی را در نظر بگیرید:
عرض ردیابی W
ضخامت ردیابی T
ضخامت دیالکتریک H
ثابت دیالکتریک εr
بزرگترین تأثیر مربوط به ضخامت دیالکتریک H است. سپس ثابت دیالکتریک εr قرار دارد. بعد عرض رد W است. کمترین تأثیر مربوط به ضخامت رد T است. پس از انتخاب ماده پایه، تغییر εr اندک است. H قابل کنترل است اما همچنان تغییر میکند. کنترل T آسانتر است. کنترل عرض رد W در محدوده ±10% دشوار است. مسائلی مانند سوراخهای ریز (pinholes)، شکافها و فرورفتگیها نیز اهمیت دارند. از جهات مختلف، مؤثرترین و مهمترین روش کنترل Z0، کنترل و تنظیم دقیق عرض مسیر است.