Aukšto{0}}dažnio ir didelės spartos grandinių srityje PCB varžos charakteristikos tiesiogiai lemia signalo perdavimo vientisumą ir stabilumą. Impedanso neatitikimas gali sukelti problemų, tokių kaip signalo atspindys, slopinimas, perdavimas, o sunkiais atvejais netgi sukelti visos grandinės sistemos gedimą. Todėl PCB varžos valdymo technologija tapo pagrindine grandine, užtikrinančia aukšto-dažnio ir{5}}greičių grandinių veikimą.
1, Pagrindinis PCB varžos valdymo supratimas
Pagrindinis impedanso valdymo tikslas yra išlaikyti būdingą pcb perdavimo linijų varžą, atitinkančią abiejuose galuose prijungtų įrenginių varžą, siekiant sumažinti energijos nuostolius ir signalų trukdžius perdavimo metu. Būdingoji varža yra ne viena varžos vertė, o kompleksinė varža, kurią lemia perdavimo linijos paskirstytoji varža, paskirstyta talpa ir paskirstyta induktyvumas. Jo dydis yra glaudžiai susijęs su PCB fizine struktūra, medžiagų charakteristikomis ir proceso technologija.
Esant aukšto -dažnio ir didelės- spartos scenarijams (pvz., 5G ryšys, serveriai, erdvėlaivių elektronika ir kt.) signalo bangos ilgis sutrumpėja, o perdavimo linijos paskirstymo parametrų įtaka signalui greitai sustiprėja. Impedanso valdymo tikslumo reikalavimai yra itin aukšti, o kai kuriais atšiauriais scenarijais tikslumo reikalavimai yra dar griežtesni, o tai kelia itin aukštus reikalavimus tolesniems techniniams procesams.
2, Pagrindiniai įtakos veiksniai: medžiagų savybės ir konstrukciniai parametrai
(1) Pagrindo ir variu dengtos dangos pasirinkimas
Pagrindas ir vario folija yra pagrindinės medžiagos, lemiančios PCB varžos charakteristikas, o jų veikimo parametrai tiesiogiai veikia varžos valdymo tikslumą.
Pagrindo dielektrinė konstanta: Dielektrinė konstanta yra vienas iš pagrindinių substrato parametrų, o būdinga varža yra atvirkščiai proporcinga dielektrinės konstantos kvadratinei šaknei. Maži dielektrinės konstantos svyravimai gali tiesiogiai sukelti impedanso poslinkį. Įvairių tipų substratų dielektrinė konstanta labai skiriasi, o žemos dielektrinės konstantos substratai dažniausiai naudojami aukšto-dažnio ir didelio-greičio scenarijuose, kurie labiau tinka mažų nuostolių signalui perduoti. Praktikoje būtina pasirinkti substratą su stabilia dielektrine konstanta ir žemos temperatūros koeficientu pagal grandinės veikimo dažnį, kad būtų išvengta dielektrinės konstantos svyravimų, atsirandančių dėl aplinkos temperatūros pokyčių, kurie gali turėti įtakos impedanso stabilumui.
Vario folijos storis ir šiurkštumas: Vario folijos storis tiesiogiai veikia paskirstytą perdavimo linijų atsparumą. Kuo mažesnis storis, tuo didesnė paskirstyta varža ir tuo reikšmingesnis poveikis varžai. Aukšto dažnio ir didelės spartos spausdintinėse{2} plokštėse paprastai naudojama plona varinė folija, siekiant sumažinti signalo praradimą dėl odos poveikio. Tuo tarpu varinės folijos paviršiaus šiurkštumas taip pat gali turėti įtakos signalo perdavimui. Kuo didesnis šiurkštumas, tuo didesnis signalo sklaidos praradimas perdavimo metu, ypač aukšto dažnio scenarijuose. Negalima ignoruoti paviršiaus šiurkštumo poveikio varžai. Todėl, norint užtikrinti impedanso stabilumą, būtina rinktis elektrolitinę vario foliją arba valcuotą vario foliją su mažu paviršiaus šiurkštumu.
(2) Tikslus perdavimo linijos konstrukcinių parametrų valdymas
Fiziniai perdavimo linijų struktūriniai parametrai yra šerdis, apibrėžianti būdingą varžą, daugiausia įskaitant linijos plotį, atstumą tarp linijų ir dielektrinį storį (atstumą tarp perdavimo linijos ir atskaitos plokštumos). Skirtingoms perdavimo linijų struktūroms (pvz., mikrojuostelėms, juostinėms linijoms ir diferencialinėms linijoms) reikia tiksliai valdyti skirtingus parametrus.
Mikrojuostelinė linija: mikrojuostos linija yra įprasta perdavimo linijos struktūra PCB paviršiuje, kurią sudaro signalo linijos, substratas (dielektrinis sluoksnis) ir atskaitos plokštuma (žemės arba maitinimo sluoksnis). Jo būdinga varža daugiausia susijusi su linijos pločiu, dielektriko storiu ir pagrindo dielektrine konstanta. Gamybos procese linijos pločio ir dielektrinio storio valdymo tikslumas yra ypač didelis, kitaip lengva sukelti impedanso poslinkį ir viršyti tikslumo reikalavimus.
Juostos linija: juostelės linija yra PCB viduje ir yra apvyniota dviem atskaitos plokštumomis. Signalo linija yra apsupta dielektriko sluoksniu, o jos būdinga varža yra susijusi ne tik su linijos pločiu ir pagrindo dielektrine konstanta, bet ir su atstumu tarp viršutinės ir apatinės atskaitos plokštumų bei atstumu tarp signalo linijos ir viršutinės bei apatinės atskaitos plokštumų. Dėl to, kad juostos linija visiškai apvyniojama dielektriniu sluoksniu, signalą mažiau veikia išoriniai trukdžiai, tačiau gamybos proceso metu sunkiau kontroliuoti dielektrinio sluoksnio storį. Būtina užtikrinti dielektriko sluoksnio storio vienodumą po laminavimo, kad būtų išvengta impedanso poslinkio dėl netolygaus storio.
Diferencialinė linija: Diferencinė linija susideda iš dviejų lygiagrečių signalų linijų, kurios sumažina bendro režimo trikdžius per diferencialinį signalo perdavimą. Jo impedanso valdymas apima būdingąją varžą (vieno galo varžą) ir diferencinę varžą (varža tarp dviejų signalo linijų). Diferencinė varža paprastai turi fiksuotą proporcingą santykį su vieno galo varža, daugiausia susijusia su linijos pločiu, tarpais tarp linijų ir dielektriko storiu. Griežtai reikalingas tarpų tarp eilučių valdymo tikslumas. Jei tarpų tarp eilučių nuokrypis yra per didelis, diferencinė varža nukryps nuo nustatytos vertės, o tai turės įtakos diferencinio signalo vientisumui.
3, pagrindinė valdymo technologija: proceso optimizavimas
PCB gamybos procesas yra pagrindinis veiksmas konvertuojant parametrus į tikrus gaminius, pradedant substrato pjovimu, laminavimu, grafiniu perkėlimu ir baigiant ėsdinimu, litavimo kaukės padengimu. Kiekvienas proceso žingsnis gali turėti įtakos impedanso tikslumui ir reikalauja tikslaus valdymo, kad būtų užtikrintas varžos stabilumas.
(1) Tikslus laminavimo proceso valdymas
Laminavimo procesas yra kelių pagrindo ir varinės folijos sluoksnių laminavimo į vieną procesas, tiesiogiai nustatantis dielektriko storio vienodumą ir stabilumą, ir yra vienas iš pagrindinių varžos valdymo procesų.
Slėgio ir temperatūros kontrolė bendradarbiaujant: Pagrįstos slėgio ir temperatūros kreivės (kaitinimo greitis, izoliacijos temperatūra, izoliacijos laikas) turi būti nustatytos pagal pagrindo savybes laminavimo metu. Jei slėgis yra nepakankamas, tarp pagrindo ir varinės folijos gali atsirasti tarpų, todėl terpės storis gali būti netolygus; Jei temperatūra per aukšta arba izoliacijos laikas per ilgas, substratas gali per daug sukietėti, dėl to pasikeis dielektrinė konstanta ir paveiks impedansą. Norint užtikrinti, kad temperatūros ir slėgio nuokrypiai būtų kontroliuojami protingame diapazone, reikia stebėti realiu laiku.
Laminavimo išlygiavimo valdymas: laminuojant daugiasluoksnes spausdintines plokštes, kiekvieno sluoksnio perdavimo linijos sulygiavimas su atskaitos plokštuma tiesiogiai veikia vidutinio storio nuoseklumą. Jei išlygiavimo nuokrypis yra per didelis, kai kuriose srityse dielektrinis storis suplonės arba sustorės, o tai sukels vietinės varžos poslinkį. Todėl, siekiant užtikrinti, kad laminavimo išlygiavimo nuokrypis būtų kontroliuojamas protingu diapazonu, turėtų būti naudojama didelio tikslumo padėties nustatymo įranga. Tuo pačiu metu, po laminavimo, sluoksnių išlygiavimas turi būti patikrintas profesionalia bandymo įranga, kad būtų galima nedelsiant pašalinti nekvalifikuotus gaminius.
(2) Grafinio perkėlimo ir ėsdinimo procesų tobulinimas
Grafinis perkėlimas – tai nustatytos perdavimo linijos grafikos perkėlimas ant varinės folijos, o ėsdinimas pašalina perteklinę vario foliją, kad susidarytų galutinė perdavimo linija. Šie du procesai tiesiogiai lemia linijos pločio tikslumą, o tai savo ruožtu turi įtakos varžai.
Tikslus grafinio perdavimo valdymas: grafinis perkėlimas paprastai apima fotolitografijos procesą, apimantį tris dengimo, ekspozicijos ir tobulinimo etapus. Taikant fotorezistą, būtina užtikrinti, kad fotorezisto storis būtų vienodas, kad po ekspozicijos nebūtų susilieję rašto kraštai dėl netolygaus fotorezisto storio; Ekspozicijos metu būtina kontroliuoti ekspozicijos energiją ir ekspozicijos tikslumą. Norint užtikrinti, kad nuokrypis tarp grafinės linijos pločio ir nustatytos vertės būtų kontroliuojamas protingu diapazonu, turėtų būti naudojamas didelio tikslumo ekspozicijos aparatas; Vystymo metu būtina kontroliuoti vystymosi laiką ir temperatūrą, kad būtų išvengta nepakankamo ar per didelio vystymosi.
ėsdinimo proceso parametrų optimizavimas: ėsdinimo procese reikia nustatyti ėsdinimo tirpalo koncentraciją, ėsdinimo temperatūrą ir ėsdinimo greitį pagal vario folijos storį. Dėl per didelio ėsdinimo greičio gali per daug sumažėti linijos plotis, o dėl lėto ėsdinimo greičio ėsdinimas gali būti nepilnas, o likutinė vario folija gali turėti įtakos varžai. Tuo pačiu metu reikia naudoti purškimo ėsdinimo įrangą, kad ėsdinimo tirpalas būtų tolygiai išpurškiamas ant vario folijos paviršiaus, išvengiant netolygaus ėsdinimo ir linijos pločio nukrypimų tam tikrose srityse. Po ėsdinimo linijos pločio tikslumą reikia patikrinti optine aptikimo įranga, o gaminius, kurie viršija nuokrypį, reikia laiku perdirbti arba išmesti.
(3) litavimo kaukės dangos ir paviršiaus apdorojimo įtakos kontrolė
Nors litavimo kaukės danga (žalioji alyva) ir paviršiaus apdorojimas (pvz., panardinamasis auksas, skardinimas) tiesiogiai nenustato varžos, netinkamas apdorojimas vis tiek gali turėti įtakos varžos stabilumui.
Litavimo kaukės sluoksnio storio kontrolė: litavimo kaukės sluoksnis dengia perdavimo linijos paviršių, o jo dielektrinė konstanta ir storis nežymiai paveiks mikrojuostos linijos varžą (juostelių linijas mažiau veikia litavimo kaukės sluoksnis, nes juos apvynioja dielektrinis sluoksnis). Jei litavimo kaukės sluoksnio storis yra netolygus, aplink mikrojuostelių liniją susidarys nenuosekli dielektrinė aplinka, taip sukeldami vietinius varžos svyravimus. Todėl litavimo kaukės dengimo metu būtina kontroliuoti dangos storį, išlaikyti nuokrypį protingame diapazone ir vengti litavimo kaukės sluoksnio, dengiančio pagrindines perdavimo linijos sritis.
Paviršiaus apdorojimo nuoseklumas: Paviršiaus apdorojimo tikslas yra užkirsti kelią vario folijos oksidacijai ir užtikrinti suvirinimo patikimumą, tačiau apdorojimo sluoksnio storis ir vienodumas taip pat gali turėti įtakos perdavimo linijos atsparumui. Jei apdirbamo sluoksnio storis yra netolygus, tai sukels perdavimo linijos paviršiaus atsparumo svyravimus ir taip paveiks varžą. Todėl būtina kontroliuoti paviršiaus apdorojimo proceso parametrus, siekiant užtikrinti, kad apdorojamo sluoksnio storio nuokrypis būtų kontroliuojamas per protingą diapazoną, tuo pačiu užtikrinant nuoseklumą vizualiai apžiūrint ir tiriant storį.
4, aptikimas ir patikrinimas: užtikrinkite varžos valdymo tikslumą
Impedanso aptikimas ir tikrinimas yra paskutinė PCB varžos valdymo apsaugos linija. Naudodami profesionalią įrangą ir metodus faktinių gaminių impedanso vertėms aptikti, užtikriname, kad jie atitinka reikalavimus ir teikiame duomenų palaikymą proceso optimizavimui.
(1) Impedanso aptikimo įranga ir metodai
Šiuo metu pagrindinė PCB varžos aptikimo įranga yra varžos testeris, o aptikimo metodai daugiausia apima laiko srities reflektometriją (TDR) ir dažnio srities metodą.
Laiko srities reflektometrija: TDR apskaičiuoja būdingąją varžą pagal sparčiai didėjančio impulso signalo, siunčiamo į perdavimo liniją, atspindį. Šis metodas gali vizualiai parodyti varžos pokyčius įvairiuose perdavimo linijos taškuose (pvz., impedanso mutacijų vietą ir amplitudę) ir yra tinkamas vietiniams impedanso sutrikimams (pvz., linijos pločio nuokrypiui ir netolygiam dielektriko storiui) nustatyti. Bandymo metu būtina tiksliai prijungti bandymo zondą prie PCB bandymo taškų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas, o bandymo dažnis turėtų apimti aukšto-dažnio ir didelės spartos{3}} grandinių veikimo diapazoną.
Dažnio srities metodas: dažnio srities metodas apskaičiuoja charakteringą varžą, matuojant perdavimo linijos sklaidos parametrus skirtingais dažniais. Šiuo metodu galima išanalizuoti varžos kitimą nuo dažnio ir yra tinkamas spausdintinių plokščių varžos stabilumui įvertinti visame veikimo dažnių diapazone.
(2) Aptikimo duomenų analizė ir proceso optimizavimas
Impedanso aptikimas nėra galutinis taškas, o proceso problemų aptikimas atliekant duomenų analizę ir proceso parametrų optimizavimas. Pavyzdžiui, jei paprastai nustatoma, kad spausdintinių plokščių partijos mikrojuostos linijos varža yra maža, būtina patikrinti, ar nėra tokių problemų, kaip per didelis linijos plotis, per mažas dielektriko storis arba per didelė pagrindo dielektrinė konstanta. Nustatę pagrindinę problemos priežastį, sureguliuokite atitinkamus proceso parametrus. Tuo pačiu metu būtina sukurti impedanso aptikimo duomenų bazę, kad būtų įrašyti kiekvienos spausdintinių plokščių partijos aptikimo duomenys, apibendrinti proceso parametrų ir varžos koreliaciją atliekant statistinę analizę ir sudaryti standartizuotą proceso valdymo planą, kad būtų nuolat gerinamas varžos valdymo tikslumas.