Как ключевой носитель электронных систем, производительность печатных плат напрямую влияет на стабильность и надежность всей системы. Контроль импеданса печатных плат — это основная технология, обеспечивающая целостность высокоскоростных-высокоскоростных и-частотных сигналов электронных схем.
1. Что такое сопротивление печатных плат?
Импеданс является всесторонним отражением эффекта блокировки тока в цепи. В микроскопическом мире линий передачи печатных плат они состоят из распределенных резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Когда сигнал движется по линии передачи, если сопротивление линии передачи не соответствует сопротивлению источника сигнала и нагрузки, это похоже на внезапное сужение дороги или появление препятствий. Сигнал будет отражаться, и исходная форма сигнала будет демонстрировать явления искажений, такие как выбросы, недорегулирования и звон. В то же время мощность сигнала будет продолжать снижаться во время передачи, что затрудняет точное распознавание сигнала принимающей стороной, что в конечном итоге влияет на нормальную работу всей схемной системы. Например, в схемах интерфейса USB 3.0 для высокоскоростной передачи данных, если контроль импеданса печатных плат неправильный, могут возникнуть ошибки передачи данных, и даже данные не могут быть переданы нормально.
2. Углубленный анализ ключевых факторов, влияющих на сопротивление печатных плат.
Влияние геометрических параметров линий электропередачи
Геометрические параметры линий электропередачи подобны «формам», формирующим импеданс и оказывающим на них прямое и существенное влияние. Ширина линии — один из чувствительных параметров. Вообще говоря, чем шире ширина линии, тем больше площадь поперечного сечения линии передачи, тем ниже сопротивление и тем больше межлинейная емкость и индуктивность, что приводит к уменьшению характеристического импеданса; Напротив, чем уже ширина линии, тем выше характеристическое сопротивление. Если взять в качестве примера обычную линию передачи с сопротивлением 50 Ом, то на печатных платах со специальной многослойной структурой и материалом может потребоваться точный контроль ширины линии на уровне около 0,15 мм, чтобы соответствовать требованиям к импедансу.
Изменение длины строки нельзя игнорировать. По мере увеличения длины линии усиливается совокупный эффект сопротивления, емкости и индуктивности, испытываемый сигналом во время передачи, что приводит не только к увеличению затухания сигнала, но и к изменению характеристического импеданса. В высокочастотных-цепях слишком длинные линии передачи подобны длинным и неровным дорогам, вызывающим серьезные потери сигнала во время передачи и легко приводящим к проблемам с целостностью сигнала.
Расстояние между линиями, как важная составляющая геометрических параметров линий передачи, влияет на емкость и взаимную индуктивность между линиями. Соответствующее расстояние между линиями может уменьшить перекрестные помехи между линиями, обеспечить чистоту сигнала, а также повлиять на характеристический импеданс. Увеличение расстояния между линиями уменьшит емкость и взаимную индуктивность между линиями и увеличит характеристическое сопротивление; Меньшее расстояние между линиями уменьшит характеристическое сопротивление, но может увеличить риск перекрестных помех.
Решающую роль играют характеристики материала печатных плат.
Характеристики материала печатных плат являются внутренними факторами, определяющими импеданс. Диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна импедансу. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше емкость линии передачи и тем ниже характеристическое сопротивление. Диэлектрическая проницаемость печатных плат разных типов существенно различается. Например, диэлектрическая проницаемость обычных плат FR-4 обычно составляет от 4,2-4,6, что подходит для низкочастотных и чувствительных к стоимости схем; Высокочастотный листовой политетрафторэтилен (ПТФЭ) имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, обычно 2,2–2,6, и обычно используется в таких областях, как высокочастотная связь, где требуется чрезвычайно высокое качество передачи сигнала.
Угол диэлектрических потерь отражает степень потерь энергии печатной платы под действием переменного электрического поля. В высокочастотных-цепях большой угол диэлектрических потерь подобен «энергетической черной дыре», которая будет потреблять большое количество энергии сигнала и приводить к усиленному затуханию сигнала. Поэтому при проектировании высокочастотных схем выбор платы с низкими диэлектрическими потерями является ключом к обеспечению качества сигнала.
Важная роль трех опорных плоскостей
Опорная плоскость играет незаменимую роль при контроле импеданса печатных плат. Расстояние между линией передачи и базовой плоскостью оказывает прямое влияние на импеданс. Чем ближе расстояние, тем больше емкость и ниже характеристическое сопротивление; И наоборот, чем выше характеристическое сопротивление. При проектировании стопок печатных плат необходимо точно контролировать расстояние между линией передачи и опорной плоскостью в соответствии с требованиями к импедансу для достижения целевого импеданса.
Целостность базовой плоскости также имеет решающее значение. Если в базовой плоскости есть разрывы или разделения, например, сломанная дорога, это может вызвать изменения в распределении тока линии передачи, тем самым изменяя импеданс. Например, в печатных платах высокоскоростной передачи сигналов наличие зазоров в слое заземления влияет на обратный путь линии передачи, вызывая колебания импеданса и серьезно влияя на целостность сигнала.
3. Осуществить контроль импеданса печатных плат во всех аспектах.
1. Тщательно спланированный этап планировки
Этап проектирования является отправной точкой и этапом планирования проекта для реализации контроля импеданса печатных плат. Разумная схема штабелирования является основой, которая требует всестороннего рассмотрения схемы расположения сигнального слоя, силового слоя и слоя земли, а также выбора толщины диэлектрика и материалов между каждым слоем. Симметричная многослойная структура обычно используется для обеспечения равномерного расстояния между сигнальным слоем и опорной плоскостью, обеспечивая стабильную среду для передачи сигнала. Например, при проектировании четырехслойной платы слой питания и слой земли можно разместить в двух средних слоях, а верхний и нижний слои можно использовать в качестве сигнальных слоев. Разумно устанавливая толщину диэлектрика между каждым слоем, можно добиться предварительного контроля импеданса.
Точный расчет ширины и расстояния между линиями является одной из основных задач на этапе планирования. С помощью профессиональных инструментов расчета импеданса, таких как PolarSI9000, HyperLynx и т. д., ширину линии и расстояние между линиями передачи можно точно рассчитать на основе характеристик материалов печатных плат, составных структур и ожидаемых значений импеданса. В процессе расчета также необходимо полностью учитывать влияние производственных допусков, оставлять соответствующие запасы и следить за тем, чтобы реально изготовленные печатные платы соответствовали требованиям по импедансу.
Для дифференциальных сигналов, широко используемых в высокоскоростных-цепях, их конструкция требует более строгого контроля. Чтобы строго контролировать ширину линии, расстояние и согласование длины дифференциальных пар, дифференциальный импеданс обычно составляет 100 Ом. Используя змеевидную маршрутизацию и другие методы регулировки длины дифференциальных пар, длины двух линий передачи делаются как можно более равными, уменьшая разницу в задержке передачи сигналов и обеспечивая целостность дифференциальных сигналов.
2 .Строго контролируемые этапы производства
Фаза производства является решающим шагом в преобразовании проектных чертежей в реальные продукты, играя решающую роль в контроле импеданса печатных плат. Что касается выбора материала, необходимо выбирать пластины с точной и стабильной диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями, чтобы гарантировать контроль импеданса от источника. В то же время необходимо строго контролировать качество плит, чтобы избежать колебаний производительности, вызванных различиями в партиях материалов.
Технология прецизионной обработки является основой производственного этапа. Процесс травления напрямую определяет точность ширины линии и качество кромки линии передачи, требуя точного контроля таких параметров, как время травления, концентрация травильного раствора и температура, чтобы предотвратить отклонение ширины линии, вызванное чрезмерным или недостаточным травлением. Процесс ламинирования влияет на однородность средней толщины. В процессе ламинирования необходимо строго контролировать такие параметры, как давление, температура и время, чтобы избежать появления пузырей и примесей, а также обеспечить плотное прилегание слоев и постоянную толщину среды. Процесс гальваники связан с проводимостью и коррозионной стойкостью линий электропередачи. Точный контроль времени гальванизации, плотности тока и других параметров обеспечивает равномерную толщину покрытия и улучшает электрические характеристики линий электропередачи. Кроме того, из-за неизбежного существования допусков в процессе производства, таких как допуски на ширину линий, допуски на толщину диэлектрика и т. д., необходимо компенсировать производственные допуски на этапе проектирования. Путем соответствующей корректировки параметров конструкции можно уменьшить влияние производственных допусков на импеданс.
3. строгие и тщательные этапы тестирования и проверки.
После завершения изготовления печатных плат тестирование и проверка являются последними шагами для обеспечения соответствия импеданса. Рефлектометр во временной области (TDR) — это широко используемый прибор для измерения импеданса, который может быстро и точно рассчитать значение импеданса линии передачи и местоположение разрывов импеданса, отправляя высокоскоростные импульсные сигналы в линию передачи и измеряя отраженные сигналы. Сетевые анализаторы в основном используются для измерения S-параметров радиочастотных и микроволновых цепей. Путем анализа и расчета параметров S- получают характеристики импеданса линий передачи на разных частотах, предоставляя подробную информацию для тестирования импеданса высокочастотных-цепей.
После получения результатов тестирования требуется-углубленный анализ. Если результаты испытаний отклоняются от расчетных значений в пределах допустимого диапазона, это свидетельствует о том, что контроль импеданса печатных плат соответствует требованиям; Если отклонение превышает допустимый диапазон, необходимо тщательно исследовать причину, которая может включать ошибки в расчетах конструкции, отклонения производственного процесса, колебания характеристик материала и т. д. Примите соответствующие меры по оптимизации по разным причинам, например, корректировку параметров конструкции, улучшение производственных процессов или замену материалов, и снова проводите испытания импеданса до тех пор, пока результаты испытаний не будут соответствовать проектным требованиям.