În domeniul circuitelor de-frecvență înaltă și de{1}}viteză mare, caracteristicile de impedanță ale PCB determină direct integritatea și stabilitatea transmisiei semnalului. Nepotrivirea impedanței poate cauza probleme precum reflectarea semnalului, atenuarea, diafonia și, în cazuri severe, poate duce chiar la defectarea întregului sistem de circuite. Prin urmare, tehnologia de control al impedanței PCB a devenit legătura de bază pentru a asigura performanța circuitelor de înaltă-frecvență și-viteză mare.
1, Înțelegerea de bază a controlului impedanței PCB
Scopul principal al controlului impedanței este de a menține impedanța caracteristică a liniilor de transmisie PCB în concordanță cu impedanța dispozitivelor conectate la ambele capete, pentru a minimiza pierderea de energie și interferența semnalelor în timpul transmisiei. Impedanța caracteristică nu este o singură valoare a rezistenței, ci o impedanță complexă determinată de rezistența distribuită, capacitatea distribuită și inductanța distribuită a liniei de transmisie. Mărimea sa este strâns legată de structura fizică, caracteristicile materialelor și tehnologia de proces a PCB.
În scenariile de-frecvență înaltă și-viteză mare (cum ar fi comunicații 5G, servere, electronice aerospațiale etc.), lungimea de undă a semnalului este scurtată, iar impactul parametrilor de distribuție ai liniei de transmisie asupra semnalului este rapid amplificat. Cerințele de precizie a controlului impedanței sunt extrem de ridicate, iar în unele scenarii dure, cerințele de precizie sunt și mai stricte, ceea ce impune cerințe extrem de mari proceselor tehnice ulterioare.
2, Factori de influență de bază: proprietățile materialelor și parametrii structurali
(1) Selectarea substratului și a acoperirii-cu cupru
Substratul și folia de cupru sunt purtătorii de material de bază care determină caracteristicile de impedanță ale PCB, iar parametrii lor de performanță afectează în mod direct precizia controlului impedanței.
Constanta dielectrică a substratului: constanta dielectrică este unul dintre parametrii cheie ai substratului, iar impedanța caracteristică este invers proporțională cu rădăcina pătrată a constantei dielectrice. Mici fluctuații ale constantei dielectrice pot cauza direct schimbarea impedanței. Constanta dielectrică a diferitelor tipuri de substraturi variază semnificativ, iar substraturile cu constantă dielectrică scăzută sunt utilizate în mod obișnuit în scenarii cu frecvență înaltă și{3}}înaltă, care sunt mai potrivite pentru transmisia de semnal cu pierderi reduse. În aplicațiile practice, este necesar să se selecteze un substrat cu constantă dielectrică stabilă și coeficient de temperatură scăzut în funcție de frecvența de funcționare a circuitului, pentru a evita fluctuațiile constantei dielectrice cauzate de schimbările de temperatură a mediului, care pot afecta stabilitatea impedanței.
Grosimea și rugozitatea foliei de cupru: Grosimea foliei de cupru afectează direct rezistența distribuită a liniilor de transmisie. Cu cât grosimea este mai mică, cu atât rezistența distribuită este mai mare și impactul asupra impedanței este mai semnificativ. Plăcile cu circuite imprimate de înaltă frecvență și viteză-înaltă folosesc de obicei folie subțire de cupru pentru a reduce pierderea semnalului cauzată de efectul pielii. Între timp, rugozitatea suprafeței foliei de cupru poate afecta și transmisia semnalului. Cu cât este mai mare rugozitatea, cu atât este mai severă pierderea prin împrăștiere a semnalului în timpul transmisiei, în special în scenariile de-frecvență înaltă. Impactul rugozității suprafeței asupra impedanței nu poate fi ignorat. Prin urmare, este necesar să alegeți folie de cupru electrolitică sau folie de cupru laminată cu rugozitate scăzută a suprafeței pentru a asigura stabilitatea impedanței.
(2) Controlul precis al parametrilor structurali ai liniei de transport
Parametrii structurali fizici ai liniilor de transmisie sunt nucleul care determină impedanța caracteristică, incluzând în principal lățimea liniilor, distanța dintre linii și grosimea dielectrică (distanța dintre linia de transmisie și planul de referință). Structurile diferite ale liniilor de transmisie (cum ar fi liniile microstrip, liniile de bandă și liniile diferențiale) necesită un control precis pentru diferiți parametri.
Linia Microstrip: Linia Microstrip este o structură comună a liniei de transmisie pe suprafața PCB, constând din linii de semnal, substrat (stratul dielectric) și un plan de referință (stratul de masă sau de putere) dedesubt. Impedanța sa caracteristică este legată în principal de lățimea liniei, grosimea dielectrică și constanta dielectrică a substratului. În procesul de fabricație, precizia de control a lățimii liniei și a grosimii dielectrice este extrem de mare, altfel este ușor să provoace schimbarea impedanței și să depășești cerințele de precizie.
Linia de panglică: linia de panglică este situată în interiorul PCB și este înfășurată de două planuri de referință. Linia de semnal este înconjurată de un strat dielectric, iar impedanța sa caracteristică nu este legată numai de lățimea liniei și constanta dielectrică a substratului, ci și de distanța dintre planurile de referință superior și inferior și distanța dintre linia de semnal și planurile de referință superioare și inferioare. Datorită învelirii complete a liniei de bandă de către stratul dielectric, semnalul este mai puțin afectat de interferența externă, dar dificultatea controlului grosimii stratului dielectric în timpul procesului de fabricație este mai mare. Este necesar să se asigure uniformitatea grosimii stratului dielectric după laminare pentru a evita compensarea impedanței cauzată de grosimea neuniformă.
Linie diferențială: o linie diferențială constă din două linii de semnal paralele, care reduc interferența în modul comun prin transmisia de semnal diferențial. Controlul impedanței sale include impedanța caracteristică (impedanța cu un singur capăt) și impedanța diferențială (impedanța între două linii de semnal). Impedanța diferențială are de obicei o relație proporțională fixă cu impedanța cu un singur capăt, legată în principal de lățimea liniei, distanța dintre linii și grosimea dielectrică. Precizia de control a distanței dintre linii este strict necesară. Dacă abaterea distanței dintre linii este prea mare, aceasta va face ca impedanța diferențială să se abate de la valoarea setată, afectând integritatea semnalului diferențial.
3, Tehnologia de control cheie: Optimizarea procesului
Procesul de fabricare a pcb-ului este un pas cheie în conversia parametrilor în produse reale, de la tăierea substratului, laminare, transfer grafic la gravare, acoperire cu mască de lipit. Fiecare pas al procesului poate afecta acuratețea impedanței și necesită un control precis pentru a asigura stabilitatea impedanței.
(1) Controlul precis al procesului de laminare
Procesul de laminare este procesul de laminare a mai multor straturi de substrat și folie de cupru într-unul singur, determinând direct uniformitatea și stabilitatea grosimii dielectrice și este unul dintre procesele de bază pentru controlul impedanței.
Controlul colaborativ al presiunii și temperaturii: curbele rezonabile de presiune și temperatură (viteza de încălzire, temperatura izolației, timpul de izolație) trebuie stabilite în funcție de caracteristicile substratului în timpul laminării. Dacă presiunea este insuficientă, pot exista goluri între substrat și folia de cupru, rezultând grosimea neuniformă a mediului; Dacă temperatura este prea mare sau timpul de izolare este prea lung, substratul poate suferi o întărire excesivă, ducând la o modificare a constantei dielectrice și afectând impedanța. Monitorizarea în timp real este necesară pentru a se asigura că abaterile de temperatură și presiune sunt controlate într-un interval rezonabil.
Controlul alinierei laminării: la laminarea plăcilor cu circuite imprimate multi-strat, alinierea liniei de transmisie a fiecărui strat cu planul de referință afectează direct consistența grosimii medii. Dacă abaterea de aliniere este prea mare, va face ca grosimea dielectrică în unele zone să devină mai subțire sau mai groasă, ceea ce duce la compensarea impedanței locale. Prin urmare, echipamentele de poziționare de înaltă-precizie trebuie utilizate pentru a se asigura că abaterea de aliniere a laminării este controlată într-un interval rezonabil. În același timp, după laminare, alinierea dintre straturi ar trebui verificată de echipamente profesionale de testare pentru a elimina prompt produsele necalificate.
(2) Perfecţionarea proceselor de transfer grafic şi gravare
Transferul grafic este procesul de transfer al elementelor grafice ale liniilor de transmisie setate pe folie de cupru, în timp ce gravarea îndepărtează excesul de folie de cupru pentru a forma linia de transmisie finală. Aceste două procese determină în mod direct acuratețea lățimii liniei, care la rândul său afectează impedanța.
Controlul de precizie al transferului grafic: Transferul grafic adoptă de obicei un proces de fotolitografie, incluzând trei etape de acoperire, expunere și dezvoltare. Când se aplică fotorezist, este necesar să se asigure că grosimea fotorezistului este uniformă pentru a evita estomparea marginilor modelului după expunere din cauza grosimii neuniforme a fotorezistului; În timpul expunerii, este necesar să se controleze energia expunerii și precizia expunerii. Trebuie utilizat un aparat de expunere de înaltă-precizie pentru a se asigura că abaterea dintre lățimea liniei grafice și valoarea setată este controlată într-un interval rezonabil; În timpul dezvoltării, este necesar să se controleze timpul și temperatura de dezvoltare pentru a evita dezvoltarea insuficientă sau excesivă.
Optimizarea parametrilor procesului de gravare: Procesul de gravare necesită setarea concentrației soluției de gravare, a temperaturii de gravare și a ratei de gravare în funcție de grosimea foliei de cupru. Viteza excesivă de gravare poate duce la o reducere excesivă a lățimii liniei, în timp ce viteza scăzută de gravare poate duce la gravarea incompletă și la o folie de cupru reziduală care afectează impedanța. În același timp, trebuie utilizat un echipament de gravare prin pulverizare pentru a se asigura că soluția de gravare este pulverizată uniform pe suprafața foliei de cupru, evitând gravarea neuniformă și abaterea lățimii liniei în anumite zone. După gravare, precizia lățimii liniei trebuie verificată de un echipament de detectare optică, iar produsele care depășesc abaterea trebuie reluate sau casate în timp util.
(3) Controlul influenței acoperirii măștii de lipit și a tratamentului suprafeței
Deși acoperirea măștii de lipit (ulei verde) și tratamentul suprafeței (cum ar fi aurul prin imersie, placarea cu cositor) nu determină direct impedanța, tratamentul necorespunzător poate afecta totuși stabilitatea impedanței.
Controlul grosimii stratului de mască de lipit: stratul de mască de lipit acoperă suprafața liniei de transmisie, iar constanta și grosimea sa dielectrică vor avea un impact ușor asupra impedanței liniei de microbenzi (liniile de bandă sunt mai puțin afectate de stratul de mască de lipit, deoarece sunt înfășurate de stratul dielectric). Dacă grosimea stratului de mască de lipit este neuniformă, va duce la un mediu dielectric inconsecvent în jurul liniei de microbandă, provocând astfel fluctuații locale de impedanță. Prin urmare, în timpul acoperirii cu mască de lipit, este necesar să se controleze grosimea acoperirii, să se păstreze abaterea într-un interval rezonabil și să se evite stratul de mască de lipit care acoperă zonele cheie ale liniei de transmisie.
Consistența tratamentului de suprafață: Scopul tratamentului de suprafață este de a preveni oxidarea foliei de cupru și de a asigura fiabilitatea sudurii, dar grosimea și uniformitatea stratului de tratament pot afecta și rezistența liniei de transmisie. Dacă grosimea stratului de procesare este neuniformă, va provoca fluctuații ale rezistenței de suprafață a liniei de transmisie, afectând astfel impedanța. Prin urmare, este necesar să se controleze parametrii procesului de tratare a suprafeței pentru a se asigura că abaterea grosimii stratului de tratament este controlată într-un interval rezonabil, asigurând în același timp consistența prin inspecție vizuală și testare a grosimii.
4, Detectare și verificare: Asigurați acuratețea controlului impedanței
Detectarea și verificarea impedanței sunt ultima linie de apărare pentru controlul impedanței PCB. Folosind echipamente și metode profesionale pentru a detecta valorile impedanței produselor reale, ne asigurăm că acestea îndeplinesc cerințele și oferim suport de date pentru optimizarea procesului.
(1) Echipamente și metode de detectare a impedanței
În prezent, echipamentul de detectare a impedanței PCB este un tester de impedanță, iar metodele de detectare includ în principal reflectometria în domeniul timpului (TDR) și metoda domeniului frecvenței.
Reflectometrie în domeniul timpului: TDR calculează impedanța caracteristică pe baza reflectării unui semnal de impuls în creștere rapidă trimis la linia de transmisie. Această metodă poate afișa vizual modificările de impedanță în diferite puncte ale liniei de transmisie (cum ar fi locația și amplitudinea mutațiilor de impedanță) și este potrivită pentru detectarea anomaliilor locale ale impedanței (cum ar fi abaterea lățimii liniei și grosimea dielectrică neuniformă). În timpul testării, este necesar să conectați cu precizie sonda de testare la punctele de testare de pe PCB pentru a asigura un contact bun, iar frecvența de testare ar trebui să acopere intervalul de lucru al circuitelor de-frecvență înaltă și{3}}de mare viteză.
Metoda domeniului de frecvență: Metoda domeniului de frecvență calculează impedanța caracteristică prin măsurarea parametrilor de împrăștiere ai liniei de transmisie la frecvențe diferite. Această metodă poate analiza variația impedanței cu frecvența și este potrivită pentru evaluarea stabilității impedanței plăcilor cu circuite imprimate pe întregul interval de frecvență de funcționare.
(2) Analiza datelor de detecție și optimizarea procesului
Detectarea impedanței nu este punctul final, ci mai degrabă descoperirea problemelor în proces prin analiza datelor și optimizarea parametrilor procesului. De exemplu, dacă impedanța liniei de microbenzi a unui lot de plăci de circuite imprimate este în general scăzută, este necesar să se verifice dacă există probleme precum o lățime prea mare a liniei, o grosime prea mică a dielectricului sau o constantă dielectrică prea mare a substratului. După localizarea cauzei principale a problemei, ajustați parametrii corespunzători ai procesului. În același timp, este necesar să se stabilească o bază de date de detectare a impedanței pentru a înregistra datele de detectare ale fiecărui lot de plăci de circuite imprimate, a rezuma corelația dintre parametrii procesului și impedanța prin analiză statistică și pentru a forma un plan standardizat de control al procesului pentru a îmbunătăți continuu acuratețea controlului impedanței.