Impedanssi PCB - optimoi signaalin eheys

Mikä on PCB-impedanssin ohjaus?

PCB-impedanssin ohjaus tarkoittaa jälkien impedanssin hallintaa. Tätä impedanssia kutsutaan myös ohjatuksi impedanssiksi. Ohjattu impedanssi on piirilevyn jälkien ja niiden vertailutasojen muodostaman siirtolinjan ominaisimpedanssi. Kun suurtaajuussignaalit kulkevat piirilevyn siirtolinjoilla, tällä on merkitystä. Hallittu impedanssi on tärkeä signaalin eheysongelmien ratkaisemiseksi. Signaalin eheys tarkoittaa, että signaali kulkee ilman vääristymiä.

Piirin impedanssi määräytyy piirilevyn fyysisen koon ja dielektrisen materiaalin mukaan. Se mitataan ohmeina (Ω). Impedanssin säätöä tarvitsevia piirilevyjen siirtojohtotyyppejä ovat yksipuolinen mikroliuskajohto, yksipuolinen raideliuskajohto, differentiaalinen mikroliuskajohtopari, differentiaalinen raideliuskajohtopari, upotettu mikroliuskajohto ja koplanaarinen (yksipuolinen ja differentiaalinen).

Yleiset menetelmät impedanssin säätöön

1. Käytä PCB-kerrosrakennetta

Piirilevysuunnittelijat voivat käyttää piirilevyn kerrospinoa impedanssin hallintaan. Aseta eri signaalikerrokset eri asentoihin kapasitanssin ja induktanssin hallitsemiseksi kerrosten välillä. Yleensä sisemmissä kerroksissa käytetään korkeamman impedanssin valintoja ja ulommissa kerroksissa matalamman impedanssin valintoja heijastuksen ja ristikkäisäänen vähentämiseksi.

2. Käytä differentiaalisia signaalijohtoja

Differentiaaliset parit antavat paremman häiriönsietokyvyn ja pienemmän ristikkäisäänen riskin. Differentiaalipari on kaksi rinnakkaista johdinta. Niiden jännitteet ovat yhtä suuret ja vastakkaiset napaisuudeltaan. Differentiaaliparit antavat paremman signaalin eheyden ja kohinansietokyvyn. Differentiaaliparin impedanssia säädellään välyksillä, johtimien leveydellä ja maatason asettelulla.

3. Ohjausjäljen geometria

Jäljen leveys, väli ja asettelugeometria voivat myös vaikuttaa impedanssiin. Tavallisessa mikroliuskajohdossa leveämmät jäljet ja suuremmat välykset alentavat impedanssia. Koaksiaalityyppisissä rakenteissa pienempi sisäjohdin ja suurempi ulkojohtimen säde nostavat impedanssia. Valitse jälkigeometria tavoiteimpedanssin ja signaalitaajuuden perusteella.

4. Valitse PCB-materiaalit

Piirilevymateriaalin dielektrisyysvakio vaikuttaa impedanssiin. Materiaalien valitseminen, joilla on vakaat dielektriset ominaisuudet, on osa impedanssin hallintaa. Korkeataajuiseen ja nopeaan käyttöön yleisiä materiaaleja ovat fr4 (lasi-epoksi), PTFE (teflon) ja RF-laminaatit.

5. Simulointi- ja suunnittelutyökalujen käyttö

Ennen lopullista piirilevyn asettelua käytä simulointi- ja suunnittelutyökaluja impedanssin tarkistamiseen ja optimointiin. Nämä työkalut simuloivat piirin käyttäytymistä, signaalihäviöitä ja sähkömagneettisia vuorovaikutuksia. Ne auttavat löytämään parhaat levyn parametrit. Yleisiä työkaluja ovat CST Studio Suite, HyperLynx ja ADS.

PCB-valmistuksen vaikutukset impedanssiin

Jäljen leveys

Jäljen leveys vaikuttaa suoraan siirtolinjan impedanssiin ja häviöön. Useimmat hyvät insinöörit antavat piirilevyn valmistajalle Gerber-tiedostojen avulla jäljen leveyden toleranssin. Jos esimerkiksi jäljen leveydeksi on suunniteltu 6,2 millimetriä ja sen impedanssi on 50 ohmia, jäljen leveyttä muuttava valmistuksen epävakaus muuttaa impedanssia. Monista tehtaista saadun kokemuksen mukaan jäljen leveys voi vaihdella noin 10%. Jäljen leveyden muutos voidaan mallintaa Gaussin jakaumana, jonka keskihajonta on 10%.

Kuparifolio / pinnoitettu kupari paksuus

PCB-tuotteissa kuparin paksuudella on kaksi osaa: peruskuparin paksuus ja päällystetty kuparin paksuus. Peruskupari on suhteellisen tasainen, mutta päällystetyn kuparin tasaisuus riippuu tehtaan prosessista. Pinnoitettu kupari voi vaihdella paljon tehtaiden välillä. Erilainen päällystetyn kuparin paksuus muuttaa jälkiimpedanssia ja häviötä. Impedanssi voi vaihdella pienellä alueella, esimerkiksi 49,5 ja 51 ohmin välillä. Verrattuna jäljen leveyteen kuparin paksuudella on pienempi vaikutus impedanssiin.

Dielektrinen paksuus

Piirilevyjen valmistuksessa dielektrisen paksuuden muutokset johtuvat raaka-aineen vaihtelusta, laminointipaineesta ja liiman täytöstä. Jos dielektrinen paksuus muuttuu, impedanssi ja häviöt muuttuvat. Vaikeissa tapauksissa siirtojohdoissa on suuri häviö. Impedanssi voi vaihdella noin 44 ohmista 54 ohmiin. Vaihteluväli voi olla jopa 10 ohmia.

Syövytystekijä

Johtimien paksuus on rajallinen. Syövytyksen jälkeen jäljet eivät ole täydellisiä suorakulmioita. Ne näyttävät enemmänkin puolisuunnikkaalta. Puolisuunnikkaan kulma muuttuu kuparin paksuuden (myös pinnoituksen) mukaan. Kun kupari on ohutta, sivukulma lähestyy 90°. Kulman koko vaikuttaa impedanssiin. Esimerkiksi kun sivukulma on 70°, impedanssi on noin 50 ohmia. Kun kulma on 90°, impedanssi on noin 48,37 ohmia.

Edellä esitetyissä testeissä muutetaan yksi tekijä kerrallaan. Todellisessa tuotannossa useat muuttujat muuttuvat samanaikaisesti. Impedanssi voi vaihdella noin 40 ohmista 56 ohmiin. Tämä ylittää huomattavasti tyypillisen vaatimuksen, kuten 50Ω ±10%. Tuotannon aikana monet parametrit aiheuttavat impedanssin muutoksen. Nopeiden tai korkealaatuisten tuotteiden osalta piirilevysuunnittelu- ja valmistusprosessin on valvottava tiukasti jokaista materiaalia ja vaihetta. Muuten tuotteessa voi ilmetä odottamattomia ongelmia.

Impedanssi ja ominaisimpedanssi

1. Vastus

Kun vaihtovirta kulkee johtimessa, sen kohtaamaa vastusta kutsutaan impedanssiksi (impedanssi). Symboli on Z. Yksikkö on edelleen ohmi (Ω). Tämä vastus eroaa tasavirtaresistanssista. Vaihtovirrassa on resistanssin (R) lisäksi induktiivinen reaktanssi (XL) ja kapasitiivinen reaktanssi (XC).

Erottamiseksi tasavirtaresistanssista kutsutaan vaihtovirtavastuksen impedanssiksi (Z).

Kaava:

2. Impedanssi (Z)

Kun IC-integraatio on lisääntynyt ja signaalitaajuus ja -nopeus ovat korkeammat, PCB-jäljet voivat vaikuttaa PCB-jälkeen. Kun signaalitaajuus saavuttaa rajan, jälki aiheuttaa vakavia signaalin vääristymiä tai häviöitä. Tämä osoittaa, että piirilevyjen jäljet eivät kuljeta vain virtaa vaan myös energiaa pulssien tai neliöaaltosignaalien muodossa.

3. Ominaisimpedanssin säätö (Z0)

Signaalin kulkiessaan näkemää vastusta kutsutaan ominaisimpedanssiksi. Symboli on Z0.

Pelkästään “avoimen”, “lyhyen” ja liitettävyyden korjaaminen ei siis riitä. Suurnopeus- ja suurtaajuussiirtolinjojen osalta laadun on oltava tiukempi. Aukko-/lyhyttestin läpäiseminen tai pienten vikojen esiintyminen ei riitä. Z0 on mitattava ja pidettävä toleranssin sisällä. Jos näin ei tapahdu, levy on romutettava. Älä tee uudelleenkäsittelyä.

Signaalin eteneminen ja siirtojohdot

1. Signaalin siirtolinjan määritelmä

1. Sähkömagneettisen teorian mukaan lyhyempi aallonpituus (λ) tarkoittaa korkeampaa taajuutta (f). Niiden tulo vastaa valonnopeutta. Toisin sanoen:

2. Millä tahansa laitteella voi olla korkea signaalitaajuus. Kun signaali kulkee piirilevyn jäljen läpi, signaali voi hidastua tai viivästyä.

Lyhyempi jäljen pituus on siis parempi.

3. Johdotustiheyden lisääminen tai johdinkoon pienentäminen auttaa. Mutta kun komponenttien taajuus kasvaa tai pulssijaksot lyhenevät, jäljen pituus voi lähestyä osaa signaalin aallonpituudesta. Silloin jälki osoittaa selvää vääristymää.

4. IPC-2141:n lausekkeessa 3.4.4 sanotaan, että kun jäljen pituus on lähes 1/7 signaalin aallonpituudesta, jälkeä käsitellään signaalin siirtojohtona.

5. Esimerkki:

Laitteen signaalitaajuus on f = 10 MHz. Piirilevyn jäljen pituus on 50 cm. Tarvitaanko ominaisimpedanssin säätöä?

Laske:

Koska 1/60 on paljon pienempi kuin 1/7, tämä johto on normaali johdin eikä tarvitse ominaisimpedanssin säätöä.

Maxwellin yhtälöt kertovat meille: siniaallon etenemisnopeus VS väliaineessa on suhteessa valon nopeuteen C ja dielektrisyysvakioon εr seuraavasti:

Kun εr = 1, signaalin nopeus vastaa valonnopeutta = 3 × 10^10 cm/s.

2. Siirtonopeus ja dielektrisyysvakio

Signaalin nopeus 30 MHz:n taajuudella eri materiaaleilla:

Taulukosta käy ilmi, että kun εr kasvaa, signaalin nopeus materiaalissa pienenee. Suuremman signaalinopeuden saavuttamiseksi on valittava suurempi ominaisimpedanssi. Saadaksesi suuremman Z0:n, valitse pienempi εr-materiaali. PTFE:llä on pienin εr, joten se antaa nopeimman nopeuden.

fr4-levyssä käytetään epoksihartsia ja E-lasia. Sen εr on noin 4,7. Signaalin nopeus on 138 m/μs. Hartsijärjestelmän vaihtaminen voi muuttaa εr:ää.

Syyt ominaisimpedanssin säätämiseen

Syy 1

Kun elektroniset laitteet (tietokone, viestintä) toimivat, ohjain lähettää signaalin vastaanottimeen piirilevyn jälkien kautta. Jäljen ominaisimpedanssin Z0 on vastattava ohjaimen ja vastaanottimen elektronista impedanssia. Jos se on sovitettu, signaalienergia siirtyy täydellisesti.

Syy 2

Jos piirilevyn laatu on huono ja Z0 on toleranssin ulkopuolella, signaalit heijastuvat, häviävät, vaimentuvat tai viivästyvät. Vakavissa tapauksissa signaalit voivat olla vääriä ja laite voi kaatua.

Syy 3

Tarvitaan tiukkoja materiaalivalintoja ja prosessinohjausta, jotta monikerroksinen levy Z0 täyttää asiakkaan vaatimukset. Korkeamman elektronisen impedanssin komponentit tarvitsevat yleensä korkeamman piirilevyn Z0:n. Monikerroksinen levy, jossa on oikea Z0, on pätevä suurnopeus- tai suurtaajuustuote.

Z0:n suhde materiaaliin ja prosessiin

Mikroliuskaimpedanssin ominaisimpedanssi Z0 kaava:

Missä:

• εr - dielektrisyysvakio

• H - dielektrinen paksuus

• W - jäljen leveys

• T - jäljen paksuus

Pienempi εr helpottaa Z0:n nostamista nopeiden komponenttien mukaiseksi.

1. Z0 ja εr

Z0 on kääntäen verrannollinen εr:ään. Z0 kasvaa, kun H kasvaa. Tiukan Z0:n korkeataajuusjohtojen osalta dielektrisen paksuuden toleranssin on oltava tiukka. Yleensä dielektrisen paksuuden muutos ei saa ylittää 10%.

2. Dielektrisen paksuuden vaikutus

Kun reititystiheys on suurempi, suurempi H aiheuttaa enemmän sähkömagneettisia häiriöitä. Suurtaajuisten ja nopeiden digitaalisten linjojen kohdalla johtotiheyden kasvaessa pienennä dielektrisen paksuutta EMI:n ja ristikkäisviestinnän vähentämiseksi tai käytä materiaaleja, joiden εr on pienempi.

Kaavan mukaan kuparin paksuus T on tärkeä tekijä. Suurempi T pienentää Z0:ta, mutta muutos on pieni.

3. Kuparin paksuuden vaikutus

Ohuempi kupari antaa suuremman Z0-arvon, mutta sen vaikutus Z0-arvoon on pieni. Ohuen kuparin käyttö auttaa tekemään hienoja jälkiä, mikä auttaa hallitsemaan Z0:ta enemmän kuin pelkkä kuparin paksuusarvo.

Kaavasta:

Kun W (jäljen leveys) pienenee, Z0 kasvaa. Leveyden muuttamisella on suurempi vaikutus Z0:een kuin paksuuden muuttamisella.

4. Jäljen leveyden vaikutus

Z0 kasvaa jyrkästi leveyden W kaventuessa. Jos haluat hallita Z0:ta, säädä jäljen leveys tiukasti. Nykyään useimpien suurtaajuisten ja nopeiden digitaalisten jälkien leveys on 0,10 mm tai 0,13 mm. Perinteisesti leveyden toleranssi oli ±20%. Muiden kuin siirtolinjan jälkien osalta (jäljen pituus << signaalin aallonpituus / 7) ±20% voi olla hyvä. Mutta Z0-ohjatuilla jäljillä ±20%:n leveysvirhe ei voi täyttää vaatimuksia. Tällöin Z0-virhe ylittää usein ±10%.

Esimerkki:

Piirilevyn mikroliuska on leveydeltään 100 μm, paksuudeltaan 20 μm ja dielektrisyydeltään 100 μm. Oletetaan, että kuparin paksuus on tasainen. Jos leveys muuttuu ±20%, voiko Z0 täyttää ±10%?

Kaavalla:

Olkoon W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Tällöin Z01 / Z02 = 1,20. Z0 saavuttaa siis juuri ±10%, ei ±10%:n sisällä. Jotta Z0 olisi ±10%:n sisällä, leveysvaihtelun on oltava paljon pienempi kuin ±20%. Jotta Z0 olisi ≤ ±5%, leveyspoikkeaman on oltava ≤ ±10%.

Tämä selittää, miksi jotkut PTFE-piirilevyt ja jotkut fr4-piirilevyt vaativat leveystoleranssia ± 0,02 mm. Syynä on Z0:n valvonta.

Ominaisimpedanssin prosessinohjaus

1. Filmin valmistuksen valvonta ja tarkastus
   Pidä lämpötila ja kosteus vakiona (21 ± 2 °C, 55 ± 5%), pidä puhdas huone ja tee leveysprosessin kompensointi.

2. Paneelin rakenne
   Paneelin reunat eivät saa olla liian kapeat. Pinnoitus on tehtävä tasaiseksi. Käytä pseudokatodia galvanoinnissa virran jakamiseksi. Lisää paneelin reunaan kuponki Z0:n testaamiseksi.

3. Etsaus
   Ohjaa prosessiparametreja alileikkauksen vähentämiseksi. Suorita ensimmäisen läpiviennin tarkastus. Vähennä kuparijäämiä, kupariharjuja ja kuparijätteitä. Tarkista jäljen leveys ja pidä se vaaditulla alueella (±10% tai ±0,02 mm).

4. AOI-tarkastus
   Etsi sisempien kerrosten kohdalta jälkiä ja ulokkeita. 2 GHz:n suurnopeussignaaleissa jopa 0,05 mm:n rako aiheuttaa levyn romuttumista. Sisäkerroksen leveyden ja vikojen hallinta on avainasemassa.

5. Laminointi
   Käytä tyhjiölaminointia paineen alentamiseksi ja hartsin virtauksen vähentämiseksi. Säilytä enemmän hartsia, koska hartsi vaikuttaa εr. Lisää hartsia usein alentaa εr:ää. Valvotaan laminoinnin paksuuden toleranssia. Jos valmiin levyn paksuus on epätasainen, dielektrinen paksuus vaihtelee ja vaikuttaa Z0:een.

6. Valitse hyvä pohjamateriaali
   Noudata tiukasti asiakkaan materiaalimallia. Väärä malli tarkoittaa väärää εr, väärää paksuutta. Väärällä materiaalilla tehty täydellinen prosessi johtaa silti romuun, koska Z0 riippuu voimakkaasti εr:stä.

7. Juotosmaski (coverlay)
   Levyn pinnalla oleva juotosmaski voi alentaa Z0:ta 1-3 Ω. Teoriassa juotosmaskin paksuus ei saisi olla liian paksu. Käytännössä vaikutus ei ole valtava. Ennen juotosmaskia johtimen pinta on kosketuksissa ilman kanssa (εr = 1), joten mitattu Z0 on suurempi. Juotosmaskin jälkeen Z0 laskee 1-3 Ω, koska juotosmaskin εr on noin 4,0.

8. Kosteuden imeytyminen
   Vältä kosteuden imeytymistä valmiisiin monikerroslevyihin. Vesi on εr ≈ 75. Kosteus aiheuttaa suuren Z0-pudotuksen ja epävakautta.

Yhteenveto

Monikerroslevyjen siirtolinjojen yleiset Z0-ohjausalueet ovat:

• 50 Ω ±10%

• 75 Ω ±10%

• 28 Ω ±10%

Jos haluat hallita vaihtelua, ota huomioon nämä neljä päätekijää:

1. Jäljen leveys W

2. Jäljen paksuus T

3. Dielektrinen paksuus H

4. Dielektrisyysvakio εr

Suurin vaikutus on dielektrisellä paksuudella H. Seuraavana on dielektrisyysvakio εr. Sen jälkeen tulee jäljen leveys W. Pienin vaikutus on jäljen paksuus T. Kun perusmateriaali on valittu, εr:n muutos on pieni. H:ta voidaan hallita, mutta se vaihtelee edelleen. T on helpompi hallita. Jäljen leveyden W kontrollointi ±10%:n sisällä on vaikeaa. Jälkiongelmilla, kuten rei'illä, aukoilla ja kolhuilla, on myös merkitystä. Monin tavoin tehokkain ja tärkein menetelmä Z0:n hallitsemiseksi on jäljen leveyden tarkka hallinta ja säätäminen.