Řízení impedance a ověření TDR na 10 vrstvách desek plošných spojů

Řízené impedance se dosahuje řízením struktury přenosového vedení, nikoli přiřazením standardní šířky trasy protokolu. Stejný cíl 50 Ύ© může vyžadovat velmi odlišnou geometrii na dvou desetivrstvých deskách, protože dielektrická tloušťka, tloušťka mědi, materiálová konstrukce, pájecí maska ​​a sousední měď se liší. Výrobní výkres by proto měl specifikovat cíl a referenční strukturu, zatímco zveřejněný výkres a výpočet výrobce definují konečnou šířku a rozteč.

Tato příručka vysvětluje, co je třeba vypočítat, na co se vlastně vztahuje výrobní tolerance a jak by měl kupon TDR reprezentovat frézovanou konstrukci. Záměrně se vyhýbá publikování univerzálních pravidel „5 mil rovná se 50 Ω“, protože tato čísla se stanou chybnými, jakmile se změní konstrukce.

Řízená impedance je definice stackupu a procesu

Charakteristická impedance vodiče na desce plošných spojů je dána rozložením elektrických a magnetických polí kolem vodiče. Dominantními vstupy jsou průřez hotového vodiče, vzdálenost od jedné nebo více referenčních rovin, dielektrické vlastnosti, párová vzdálenost pro propojené vodiče, pájecí maska ​​na povrchových strukturách a přítomnost blízké mědi. Drsnost mědi a dielektrické ztráty ovlivňují šíření vlny a měřenou odezvu, zejména s rostoucí frekvencí hran.

Řízená impedanční sestava by měla odpovědět na dvě různé otázky. Zaprvé, jaká geometrie se očekává pro dosažení cíle na zvoleném pásmu? Zadruhé, jak bude ověřena produkce? Výpočet řešiče pole řeší první otázku; reprezentativní kupón a procedura TDR druhou. Ani jedna z nich nenahrazuje simulaci kanálu, pokud jsou důležité vložné ztráty, nespojitosti via a konektory.

Jedno 10vrstvé stohování musí být zmrazena před zmrazením frézované geometrie. Pokud zhotovitel změní jádro, prepreg, měděnou fólii nebo tloušťku lisovaného materiálu, musí být výpočet impedance aktualizován a jakákoli výsledná změna grafiky musí projít dohodnutým schvalovacím procesem.

Vstupy potřebné před uvolněním geometrie trasování

U diferenciálních párů by měl výrobce obdržet šířku a rozteč jako proměnné, nikoli jako neměnné pravidlo pro grafiku, když se stále dokončuje sestavení. Vydaný výkres může povolovat řízenou úpravu šířky v rámci stanovených limitů nebo může vyžadovat schválení zákazníkem před změnami grafiky.

Jednostranná, lichý mód a diferenciální impedance

Jednostranný cíl, například 50 Ύ©, popisuje jeden vodič vzhledem k jeho zpětné struktuře. Diferenciální cíl, například 85 Ύ© nebo 100 Ύ©, popisuje rozdíl napětí mezi dvěma vodiči buzenými v opačných směrech. U symetricky vázaného páru je diferenciální impedance přibližně dvojnásobkem impedance lichého módu. Nemusí být nutně dvojnásobkem impedance jednostranného vodiče, pokud druhý vodič chybí.

Silná vazba umožňuje užší rozteč párů a může snížit diferenciální impedanci, ale také zvyšuje citlivost výsledku na změny rozteče a lokální oddělení párů. Slabě vázané páry jsou více ovlivněny svými referenčními rovinami a méně přesnou mezerou, ale mohou spotřebovávat větší šířku trasy. Správná rovnováha závisí na hustotě trasy, zešikmení, přeslechu se sousedními kanály a leptacích schopnostech výrobce.

Impedance v souhlasném režimu a převod módů mohou být důležité, i když číslo diferenciálního TDR překročí limit. Asymetrický průraz, nerovnoměrné přes antipady, různé referenční přechody a jednostranné ladění mohou převést diferenciální energii do souhlasného režimu. Při vysokých datových rychlostech je 3D model přechodu informativnější než jedno číslo kupónu.

Mikropáskové, páskové a koplanární struktury

Mikropáskový vnější vrstvu

Mikropáskový vodič se snadno sonduje a trasuje, ale jeho pole zasahují jak do laminátu, tak do vzduchové nebo pájecí masky. Efektivní dielektrická konstanta je proto nižší než u objemového laminátu Dk. Pájecí maska, povrchová úprava, lokální měděné odlitky a kontaktní plochy součástek mohou výsledek ovlivnit. Pokovení vnější vrstvy také mění tloušťku vodiče po výběru základní fólie.

Vestavěné mikropáskové a páskové vedení

Vložený mikropáskový vodič je z obou stran pokryt dielektrikem, ale je primárně vztažen k jedné rovině. Páskové vedení leží mezi dvěma rovinami. Symetrické páskové vedení má stejnou nebo téměř stejnou dielektrickou vzdálenost; asymetrické páskové vedení má dominantní bližší referenční rovinu, ale stále interaguje s oběma rovinami. Řešič pole by měl modelovat jak hranice, tak i skutečnou polohu stopy po laminaci.

Koplanární vlnovodové struktury

Koplanární uzemnění může řídit rozptyl pole a poskytovat stínění, ale mezera k boční mědi se stává dalším kritickým rozměrem. Zemní ostrůvky musí být připojeny k referenční rovině pomocí vhodného propojovacího schématu, jinak se mohou chovat jako rezonanční vodiče. Koplanární struktury by měly být modelovány se skutečnou maskou a geometrií uzemnění, spíše než přidávány jako obecné pravidlo „uzemnění“.

Variace ve výrobě a realistický rozpočet tolerancí

Výrobní impedance se mění, protože se společně pohybuje několik rozměrů. Leptání mění horní a dolní šířku. Laminace mění tloušťku lisovaného dielektrika. Obsah pryskyřice a rozložení skla ovlivňují efektivní Dk. Pokovování vnější vrstvy a pájecí maska ​​přidávají další variaci. Zodpovědná analýza tolerancí využívá procesní kapacitu dodavatele pro přesnou konstrukci, spíše než předpoklad, že každý vstup lze udržet na jeho nominální hodnotě.

+/-10 % je běžná tolerance pro zadávání veřejných zakázek, ale nejedná se o univerzální výchozí hodnotu stanovenou dokumentem IPC. U vybraných struktur a velikostí panelů mohou být proveditelná užší pásma, zatímco některé struktury s vysokou impedancí, velmi tenkým nebo silně pokoveným pláštěm mohou být méně schopné. Před specifikací +/-5 % nebo užší tolerance ověřte dostupnou geometrickou rezervu, metodu odběru vzorků, vzorkování šarže a to, zda je tolerance měřena na vzorku nebo zaručena v každém místě trasy.

Zúžení impedance bez udání důvodu na úrovni kanálu může zvýšit zmetkovitost nebo vynutit širší geometrii trasy/prostoru, což poškozuje hustotu trasování. Naopak nominální tolerance +/-10 % může být nedostatečná tam, kde nespojitosti konektorů, pouzdra a propojení ponechávají malou systémovou rezervu. Tolerance by měla vycházet z rozpočtu na elektrické instalace a studie výrobních možností.

Návrh kupónu a ověření TDR

IPC-2141 je konstrukční příručka pro obvody s řízenou impedancí; nejedná se o zkušební metodu TDR. Měření charakteristické impedance pomocí reflektometrie v časové doméně je pokryto metodou IPC-TM-650 2.5.5.7A. Objednávka by měla uvádět příslušnou metodu nebo dohodnutý postup zákazníka a poté definovat podrobnosti o kupónu a přijetí, které samotná metoda neurčuje.

Reprezentativní kupón

Kupón by měl používat stejnou vrstvu, referenční strukturu, zpracování mědi, dielektrickou konstrukci a podmínky pájecí masky jako řízená trasa. Diferenciální kupóny by měly reprodukovat šířku a rozteč párů. Pokud existuje více struktur, jedna trasa kupónu nemůže reprezentovat všechny. Umístění kupónu na výrobním panelu je důležité, protože pokovování a leptání se mohou na panelu lišit.

Měřicí okno a spuštění

Spouštěcí bod, kontaktní plochy sondy a počáteční diskontinuita musí být odděleny od uniformní sekce použité pro odečet impedance. Doba náběhu TDR by měla být vhodná pro měřený prvek; příliš rychlá hrana může zdůraznit malé diskontinuity, zatímco pomalá hrana je může zprůměrovat. Ztráta a disperze mohou vytvořit skloněnou křivku, proto je třeba dohodnout akceptační okno a metodu hlášení.

Odběr vzorků a záznamy

„Na panel“, „na šarži“ a „pouze první výrobek“ jsou komerční a jakostní volby, nikoli automatické důsledky hodnoty tolerance. Uveďte počet a umístění kupónů, destruktivní nebo zadržený stav, definici šarže, pravidlo opakovaného testování a zda jsou vyžadovány grafy nebo souhrnné výsledky. U programů s vysokou spolehlivostí zachovávejte sledovatelnost mezi kupóny, panely a dodanými deskami.

Jak specifikovat impedanci na výrobním výkresu

Tabulka impedancí by měla být dostatečně jednoznačná, aby ji inženýrské, CAM a inspekční týmy interpretovaly stejně.

Dodržujte pravidla směrování protokolů v rozvržení nebo specifikaci návrhu a impedanční akceptaci v výrobním výkresu. Toto oddělení zabraňuje dodavateli interpretovat „PCIe“ jako kompletní elektrický požadavek.

Pro recenzi uměleckých děl použijte 10vrstvý návod k frézování; výrobní proměnné a dokumentaci naleznete v průvodce výrobním procesem.

Diagnostika výsledku impedance, který mine cíl

Neúspěšný kupón by měl spustit strukturované vyšetřování, nikoli okamžitou změnu šířky čáry. Ověřte, zda kupón odpovídá struktuře desky, byla použita správná revize vrstvy, zda je spuštění TDR a měřicí okno platné a zda hlášený výsledek není dominantně ovlivněn nadměrnými ztrátami nebo diskontinuitou sondy. Poté porovnejte skutečný průřez stopy a dielektrickou tloušťku s modelem řešiče.

Nízká naměřená impedance může být důsledkem širší stopy, tenčího dielektrika, vyšší efektivní Dk, silnější mědi, bližšího koplanárního uzemnění nebo dodatečné pájecí masky. Vysoká impedance může být důsledkem opačných podmínek. Diferenciální výsledky se mohou lišit v důsledku rozteče párů, i když je šířka každé stopy správná. Data z mikrořezů a přepočítaný model jsou užitečnější než změna jednoho vstupu na základě odhadů.

Pokud je chyba systematická, aktualizujte procesně kalibrovaný model a kompenzaci kresby. Pokud je lokalizována polohou panelu, prozkoumejte rovnoměrnost leptání, pokovování nebo laminace. Jakákoli přepracování nebo likvidace „používejte v původním stavu“ by měla zohlednit systémovou rezervu, nikoli pouze procento kupónu.

Odešlete tabulku stackup a impedance k posouzení

Frekvence, ztráta a význam čísla TDR

Charakteristická impedance se často uvádí jako jedno číslo, ale skutečný propojovací vodič je disperzní a ztrátový. Dielektrické vlastnosti, drsnost mědi a skin efekt se mění s frekvencí, takže zdánlivá křivka TDR se může podél dlouhého vzorku svažovat. Krátký rovnoměrný úsek se může při měření s jinou rychlostí hran nebo metodou deembeddingu odečítat odlišně. Postup schvalování by proto měl definovat, kde a jak se hodnota odečítá, spíše než se spoléhat pouze na snímek obrazovky.

Propouštěcí impedanční kupón nedokazuje nízký vložný útlum. Dvě stopy mohou měřit obě 50 Ύ©, zatímco jedna používá surovou měď a dielektrikum s vyššími ztrátami. Naopak ztrátová stopa může způsobit, že vzdálený konec TDR tvaru vlny bude vypadat odlišně, i když je jeho fyzikální geometrie jednotná. Pokud je důležitá ztráta kanálu, použijte kromě TDR vhodný kupón pro ztrátu signálu nebo měření S-parametru.

Úskalí diferenciálního kupónu

Diferenciální TDR vyžaduje vyvážené starty a stejnou elektrickou délku měřicí sekce. Asymetrie sondy a padu, nerovnoměrné rozvětvení nebo otvor v referenční rovině mohou způsobit konverzi módů, která vypadá jako problém s párovou impedancí. Výběrový kód by měl obsahovat dostatečnou jednotnou délku, aby oddělil start od vyhodnocovacího okna, a měl by reprodukovat skutečnou masku a strukturu reference. Zaznamenání jak diferenciálního, tak, kde je to užitečné, i chování v souhlasném módu může odhalit asymetrii skrytou za jedinou průměrnou hodnotou.

Korelace produkce

Při zavedení nového vrstvení proveďte korelaci výsledků TDR s šířkou mikrořezné stopy, tloušťkou mědi a dielektrickou vzdáleností. Tato korelace vytváří spolehlivější procesní model pro pozdější šarže. Pokud dodavatel změní konstrukci materiálu, fólii nebo lisovací cyklus, měla by se korelace přezkoumat, spíše než předpokládat, že předchozí kompenzace stále platí.

Proveditelnost s vysokou tolerancí a autorita uměleckého díla

Přesnější číslo neznamená vždy lepší specifikaci. Dosažitelné rozdělení závisí na šířce stopy, dielektrické výšce, tloušťce mědi, poloze panelu, procesu leptání a na tom, zda je struktura povrchově pokovena. Velmi úzké stopy mohou vykazovat velkou procentuální změnu od malé absolutní odchylky leptání; vedení s velmi vysokou impedancí mohou vyžadovat šířky nebo dielektrické mezery, které jsou nepraktické. Výrobce by měl toleranci zvážit jako otázku procesních možností, nikoli ji pouze akceptovat jako prodejní možnost.

Před vydáním se dohodněte, kdo bude řídit grafické návrhy. Jednou z metod je, že zákazník dodá nominální geometrii a pověří výrobce kompenzací šířky a párové mezery s vydáním sestavy. Další je zmrazit geometrii a požadovat, aby dodavatel přesně sladil konstrukci. Kombinace těchto dvou přístupů vede ke sporům, když dodavatel upraví šířku čáry, ale model vůle rozvržení, zkosení nebo přeslechů předpokládal původní geometrii.

U nové konstrukce zvažte běh kontroly způsobilosti prvního článku s kupóny na reprezentativních místech panelu. Naměřené rozdělení použijte k nastavení realistického plánu řízení výroby. Jediný procházející kupón nemůže prokázat dlouhodobou způsobilost, zatímco statisticky odůvodněný proces může podpořit užší pásmo bez nadměrné kontroly.

Kontrolní seznam pro uvolnění impedance

Požadavek na impedanci je kompletní pouze tehdy, když je definován cíl, struktura přenosového vedení, výrobní autorita a ověřovací plán. Výkres, který uvádí „diferenciál 50 Ω“ nebo „100 Ω“ bez vrstvy, reference, tolerance a masky, ponechává na dodavateli, aby učinil předpoklady.

• Identifikujte každou třídu impedance podle signálové vrstvy, referenční roviny nebo rovin, cíle, tolerance a typu struktury.
• Uveďte nominální geometrii jako konstrukční záměr a uveďte, zda může dodavatel upravit šířku nebo rozteč párů.
• Model lisovaného dielektrika, upravená lichoběžníková měď, pájecí maska ​​a blízká měď.
• Použijte konstrukční materiálové údaje nebo zdokumentovaný návrhový model DK od výrobce.
• Navrhněte kupóny, které reprezentují skutečnou strukturu výroby a definují metodu TDR, frekvenci vzorkování a obsah reportu.
• Ověřování impedance kuponu uchovávejte odděleně od ověření vložného útlumu kanálu, propojení a konektorů.

Přísná tolerance by měla být odůvodněna citlivostí kanálu a prokázanou procesní schopností. Není náhradou za kontinuální návratovou cestu, přechod přes dobré vedení ani model úplných ztrát.

Nejistota měření a korelace kupónu a produktu

Výsledek TDR je ovlivněn vzorkem, spuštěním, upínacím přípravkem, šířkou pásma přístroje, kvalitou referenční roviny, kalibrací a metodou použitou k výběru oblasti hlášené impedance. Dvě laboratoře mohou měřit stejný vzork odlišně, pokud tyto podmínky nejsou shodné. Postup přijetí by proto měl definovat více než jen cíl a toleranci.

• Identifikujte zkušební metodu nebo postup zákazníka a očekávání ohledně přístroje/kalibrace.
• Definujte délku kupónu, metodu odstranění při spuštění nebo přístup k hradlování a oblast použitou pro hlášenou hodnotu.
• Kupón uchovávejte na stejné konstrukci panelu, vrstvě, mědi a referenčním systému jako struktura produktu.
• Zaznamenejte, zda je uváděná hodnota průměr, medián, výsledek v okénkovém schématu nebo jiná dohodnutá statistika.
• Definujte, jak se bude nakládat s odchylkami, spuštěním poškozených kupónů a opakovaným testováním.

Korelace kupónů má také své limity. Dlouhý přímý kupón nezahrnuje každou kontaktní plošku, krk, propojku, start konektoru nebo otvor v rovině produktu. Tyto nespojitosti patří do modelu kanálu nebo do specializované testovací struktury. Naopak, přidání složitých prvků produktu do impedančního kupónu může ztížit oddělení procesní impedance od záměrné nespojitosti.

U programů s vysokou tolerancí by korelace měla porovnávat naměřenou geometrii vzorku a data mikroskopických řezů s modelem řešiče pole. Pokud je impedance vysoká nebo nízká, měla by se při kontrole před změnou kresby zvážit stlačená dielektrika, šířka horní/dolní části vodiče, tloušťka mědi a konstrukce materiálu. Úprava šířky stopy bez identifikace fyzické příčiny může vést k tomu, že jedna šarže nebude splněna, a zároveň se oslabí opakovatelnost.