10-lags PCB-impedanskontrol og TDR-verifikation

Kontrolleret impedans opnås ved at styre en transmissionslinjestruktur, ikke ved at tildele en standard sporbredde til en protokol. Det samme 50 Ω-mål kan kræve meget forskellig geometri på to ti-lags kort, fordi dielektrisk tykkelse, kobbertykkelse, materialekonstruktion, loddemaske og tilstødende kobber er forskellige. En produktionstegning bør derfor specificere målet og referencestrukturen, mens den frigivne stackup og producentens beregning definerer den endelige bredde og afstand.

Denne vejledning forklarer, hvad der skal beregnes, hvad en fabrikationstolerance rent faktisk gælder for, og hvordan en TDR-kupon skal repræsentere den fræsede struktur. Den undgår bevidst at offentliggøre universelle "5 mil er lig med 50 Ω"-regler, fordi disse tal bliver forkerte, så snart konstruktionen ændres.

Kontrolleret impedans er en stackup- og procesdefinition

Den karakteristiske impedans for et printkortspor bestemmes af fordelingen af ​​elektriske og magnetiske felter omkring lederen. De dominerende input er det færdige ledertværsnit, afstanden til et eller flere referenceplaner, dielektriske egenskaber, parafstand for koblede linjer, loddemaske på overfladestrukturer og tilstedeværelsen af ​​kobber i nærheden. Kobberruhed og dielektrisk tab påvirker udbredelsen og den målte respons, især når kanthastigheden stiger.

En ordre med kontrolleret impedans bør besvare to forskellige spørgsmål. For det første, hvilken geometri forventes at opfylde målet på den valgte stakup? For det andet, hvordan vil produktionen blive verificeret? Field-solver-beregning adresserer det første; en repræsentativ kupon- og TDR-procedure adresserer det andet. Ingen af ​​delene erstatter en kanalsimulering, når indsættelsestab, via-diskontinuiteter og konnektorer er vigtige.

10-lags stackup skal fryses, før den fræsede geometri fryses. Hvis producenten ændrer en kerne, prepreg, kobberfolie eller presset tykkelse, skal impedansberegningen opdateres, og enhver deraf følgende ændring af illustrationen skal følge den aftalte godkendelsesproces.

Input kræves før sporgeometri kan frigives

For differentialpar bør producenten modtage bredde og afstand som variabler snarere end en uforanderlig regel for grafik, når stackup'en stadig er under færdiggørelse. Den frigivne tegning kan godkende kontrolleret breddejustering inden for angivne grænser, eller den kan kræve kundens godkendelse, før grafikændringer.

Single-Ended, Odd-Mode og Differential Impedans

Et enkelt-endet mål, såsom 50 Ω, beskriver én leder i forhold til dens returstruktur. Et differentielt mål, såsom 85 Ω eller 100 Ω, beskriver spændingsforskellen mellem to ledere, der drives i modsatte retninger. For et symmetrisk koblet par er differentiel impedans cirka dobbelt så stor som odd-mode impedansen. Det er ikke nødvendigvis dobbelt så stor som enkelt-endet impedansen for begge spor, når det andet spor er fraværende.

Stærk kobling muliggør en smallere parafstand og kan sænke differentiel impedans, men det gør også resultatet mere følsomt over for afstandsvariationer og lokal parseparation. Svagt koblede par påvirkes mere af deres referenceplaner og mindre af det nøjagtige mellemrum, men kan forbruge mere routingbredde. Den rette balance afhænger af routingtæthed, skævhed, krydstale til nabokanaler og producentens ætsekapacitet.

Common-mode impedans og modekonvertering kan have betydning, selv når det differentielle TDR-tal passerer. Asymmetrisk breakout, ulige via antipads, forskellige referenceovergange og ensidig tuning kan konvertere differentiel energi til common mode. Ved høje datahastigheder er en 3D-overgangsmodel mere informativ end et enkelt kuponnummer.

Mikrostrip-, stripline- og koplanære strukturer

Ydre lag mikrostrip

Mikrostrip er nem at undersøge og føre, men dens felter strækker sig ind i både laminat og luft eller loddemaske. Den effektive dielektriske konstant er derfor lavere end bulklaminatet Dk. Loddemaske, overfladefinish, lokale kobberpåfyldninger og komponentpuder kan alle forstyrre resultatet. Yderlagets belægning ændrer også ledertykkelsen, efter at basisfolien er valgt.

Indlejret mikrostrip og stripline

En indlejret mikrostrip er dækket af dielektrikum på begge sider, men refererer primært til ét plan. En striplinje ligger mellem to planer. En symmetrisk striplinje har lige stor eller næsten lige stor dielektrisk afstand; en asymmetrisk striplinje har en dominerende nærmere reference, men interagerer stadig med begge planer. En feltløser bør modellere både grænser og den faktiske sporposition efter laminering.

Koplanære bølgelederstrukturer

Koplanær jord kan kontrollere feltspredning og give afskærmning, men mellemrummet til kobber i siden bliver en anden kritisk dimension. Jordøer skal forbindes til referenceplanet med et passende via-mønster, eller de kan fungere som resonansledere. Koplanære strukturer bør modelleres med den faktiske maske- og jordgeometri i stedet for at blive tilføjet som en generisk "jordstøbningsregel".

Produktionsvariation og et realistisk tolerancebudget

Produktionsimpedansen ændrer sig, fordi flere dimensioner bevæger sig sammen. Ætsning ændrer den øverste og nederste bredde. Laminering ændrer tykkelsen af ​​det pressede dielektriske materiale. Harpiksindhold og glasfordeling påvirker effektiv Dk. Yderlagsplettering og loddemaske tilføjer mere variation. En ansvarlig toleranceanalyse bruger leverandørens proceskapacitet til den nøjagtige konstruktion i stedet for at antage, at hvert input kan holdes ved dets nominelle værdi.

+/-10% er en almindelig indkøbstolerance, men det er ikke en universel standard pålagt af et IPC-dokument. Strammere bånd kan være mulige på udvalgte strukturer og panelstørrelser, mens nogle højohms-, meget fine eller kraftigt belagte strukturer kan være mindre kapable. Før du specificerer +/-5% eller strammere, skal du bekræfte den tilgængelige geometrimargen, kuponmetoden, partiprøveudtagningen og om tolerancen er målt på kuponen eller garanteret på alle rutede placeringer.

Strammet impedans uden en årsag på kanalniveau kan øge spild eller fremtvinge en bredere spor-/rumgeometri, der skader routingtætheden. Omvendt kan en nominel kupon på +/- 10% være utilstrækkelig, hvor diskontinuiteter i stik, pakke og via efterlader en lille systemmargin. Tolerancen bør komme fra det elektriske budget og undersøgelsen af ​​produktionskapaciteten.

Kupondesign og TDR-verifikation

IPC-2141 er en designvejledning til kredsløb med kontrolleret impedans; det er ikke TDR-testmetoden. Karakteristisk impedansmåling ved hjælp af tidsdomænereflektometri er dækket af IPC-TM-650 Metode 2.5.5.7A. En indkøbsordre skal angive den gældende metode eller en aftalt kundeprocedure og derefter definere kupon- og acceptdetaljerne, som metoden alene ikke bestemmer.

En repræsentativ kupon

Kuponen skal bruge det samme lag, referencestruktur, kobberbearbejdning, dielektriske konstruktion og loddemasketilstand som den kontrollerede rute. Differentielle kuponer skal reproducere parbredde og -afstand. Når der findes flere strukturer, kan ét kuponspor ikke repræsentere dem alle. Kuponplaceringen på produktionspanelet er vigtig, fordi plettering og ætsning kan variere på tværs af panelet.

Målevindue og start

Affyringspunkterne, probepuder og den indledende diskontinuitet skal adskilles fra den ensartede sektion, der bruges til impedansaflæsningen. TDR-stigetiden skal være passende for den funktion, der måles; en for hurtig kant kan fremhæve små diskontinuiteter, mens en langsom kant kan udjævne dem. Tab og spredning kan skabe et skrånende spor, så acceptvinduet og rapporteringsmetoden bør aftales.

Prøveudtagning og optegnelser

"Pr. panel", "pr. parti" og "kun første artikel" er kommercielle og kvalitetsplanmæssige valg, ikke automatiske konsekvenser af en toleranceværdi. Angiv antal og placering af kuponer, destruktiv eller bevaret status, partidefinition, regel for gentest og om der kræves plots eller opsummerende resultater. For programmer med høj pålidelighed skal sporbarheden mellem kupon, panel og afsendte plader bevares.

Sådan specificerer du impedans på fabrikationstegningen

Impedanstabellen skal være entydig nok til, at ingeniør-, CAM- og inspektionsteams fortolker den på samme måde.

Behold protokolroutingregler på layout- eller designspecifikationen, og behold impedansaccept på fabrikationstegningen. Denne adskillelse forhindrer en leverandør i at fortolke "PCIe" som et komplet elektrisk krav.

Til gennemgang af kunstværker, brug 10-lags routing-guide; for fremstillingsvariabler og dokumentation, se vejledning til fremstillingsproces.

Diagnosticering af et impedansresultat, der ikke når målet

En mislykket kupon bør udløse en struktureret undersøgelse snarere end en øjeblikkelig ændring af linjebredden. Bekræft, at kuponen matcher kortstrukturen, at den korrekte stackup-revision blev brugt, at TDR-start- og målevinduet er gyldige, og at det rapporterede resultat ikke er domineret af for stort tab eller en probediskontinuitet. Sammenlign derefter det faktiske sportværsnit og den dielektriske tykkelse med solvermodellen.

Lav målt impedans kan skyldes et bredere spor, tyndere dielektrikum, højere effektiv Dk, tykkere kobber, tættere koplanær jord eller ekstra loddemaske. Høj impedans kan skyldes de modsatte forhold. Differentialresultater kan ændre sig på grund af parafstand, selv når hver sporbredde er korrekt. Mikrosektionsdata og en genberegnet model er mere nyttige end at ændre ét input ved gætværk.

Hvis fejlen er systematisk, skal den proceskalibrerede model og kompensationen for illustrationen opdateres. Hvis den er lokaliseret efter panelets position, skal ensartetheden af ​​ætsning, plettering eller laminering undersøges. Enhver omarbejdning eller bortskaffelse af produktet som det er, bør tage systemmarginen i betragtning, ikke kun kuponprocenten.

Indsend en stackup- og impedanstabel til gennemgang

Frekvens, tab og betydningen af ​​TDR-nummeret

Karakteristisk impedans præsenteres ofte som ét tal, men en reel forbindelse er dispersiv og tabsgivende. Dielektriske egenskaber, kobberruhed og hudeffekt ændrer sig med frekvensen, så det tilsyneladende TDR-spor kan hælde langs en lang kupon. En kort, ensartet sektion kan aflæses anderledes, når den måles med en anden kanthastighed eller de-embedding-metode. Acceptproceduren bør derfor definere, hvor og hvordan værdien aflæses, i stedet for udelukkende at stole på et skærmbillede.

En passiv impedanskupon beviser ikke lavt indsættelsestab. To spor kan begge måle 50 Ω, mens det ene bruger ru kobber og et dielektrikum med højere tab. Omvendt kan et tabsgivende spor få den fjerne ende af en TDR-bølgeform til at se anderledes ud, selv når dens fysiske geometri er ensartet. Når kanaltabet er vigtigt, skal du bruge en passende signaltabskupon eller S-parametermåling ud over TDR.

Differentielle kuponfaldgruber

Differential TDR kræver afbalancerede aspirationer og lige elektrisk længde til målesektionen. Asymmetri mellem probe-pad, ulige fanout eller en åbning i referenceplanet kan skabe modekonvertering, der ligner et parimpedansproblem. Kuponen skal have tilstrækkelig ensartet længde til at adskille aspirationen fra evalueringsvinduet og skal reproducere den faktiske maske- og referencestruktur. Rapportering af både differentiel og, hvor det er nyttigt, common-mode-adfærd kan afsløre en asymmetri skjult af en enkelt gennemsnitsværdi.

Produktionskorrelation

Når en ny stakup introduceres, korreleres TDR-resultaterne med mikrosektionssporbredden, kobbertykkelsen og den dielektriske afstand. Denne korrelation skaber en mere pålidelig procesmodel til senere partier. Hvis en leverandør ændrer materialekonstruktion, folie eller pressecyklus, bør korrelationen gennemgås i stedet for at antage, at den tidligere kompensation stadig gælder.

Gennemførlighed med snæver tolerance og kunstværksautoritet

Et strammere tal er ikke altid en bedre specifikation. Den opnåelige fordeling afhænger af sporbredde, dielektrisk højde, kobbertykkelse, panelplacering, ætseproces og om strukturen er overfladebelagt. Meget smalle spor kan vise en stor procentvis ændring fra en lille absolut ætsevariation; linjer med meget høj impedans kan kræve bredder eller dielektriske mellemrum, der er upraktiske. Fabrikanten bør gennemgå en tolerance som et spørgsmål om proceskapacitet, ikke blot acceptere den som en salgsmulighed.

Før frigivelse skal det aftales, hvem der kontrollerer illustrationen. En metode er, at kunden leverer nominel geometri og bemyndiger producenten til at kompensere for bredde og parafstand til den frigivne stak. En anden er at fastfryse geometrien og kræve, at leverandøren matcher konstruktionen nøjagtigt. En blanding af de to tilgange skaber tvister, når en leverandør justerer linjebredden, men layoutafstanden, skævheds- eller krydstalemodellen antog den oprindelige geometri.

For en ny konstruktion bør man overveje en kapacitetsanalyse af den første artikel med kuponer på tværs af repræsentative panellokationer. Brug den målte fordeling til at fastsætte en realistisk produktionskontrolplan. En enkelt godkendt kupon kan ikke etablere langsigtet kapacitet, mens en statistisk begrundet proces kan understøtte et strammere bånd uden overdreven inspektion.

Tjekliste for impedansfrigivelse

Et impedanskrav er kun opfyldt, når målet, transmissionslinjestrukturen, producentmyndigheden og verifikationsplanen alle er defineret. En tegning, der angiver "50 Ω" eller "100 Ω differential" uden lag, reference, tolerance og masketilstand, overlader det til leverandøren at lave antagelser.

• Identificer hver impedansklasse efter signallag, referenceplan eller -planer, mål, tolerance og strukturtype.
• Angiv nominel geometri som designhensigt, og angiv, om leverandøren må justere bredde eller parafstand.
• Modelpresset dielektrikum, færdiggjort trapezformet kobber, loddemaske og nærliggende kobber.
• Brug konstruktionsspecifikke materialedata eller en dokumenteret producentdesign-Dk-model.
• Design kuponer, der repræsenterer den faktiske produktionsstruktur og definerer TDR-metoden, prøvefrekvensen og rapportindholdet.
• Hold verifikation af kuponimpedans adskilt fra kanalindsættelsestab, via- og stikoverholdelse.

Snæver tolerance bør begrundes med kanalfølsomhed og dokumenteret proceskapacitet. Det er ikke en erstatning for en kontinuerlig returvej, en gods-via-overgang eller en komplet tabsmodel.

Måleusikkerhed og kupon-til-produkt-korrelation

Et TDR-resultat påvirkes af kuponen, affyringen, fixturen, instrumentbåndbredden, referenceplanets kvalitet, kalibreringen og den metode, der anvendes til at vælge det rapporterede impedansområde. To laboratorier kan måle den samme kupon forskelligt, hvis disse betingelser ikke er afstemt. Godkendelsesproceduren bør derfor definere mere end mål og tolerance.

• Identificer testmetoden eller kundens procedure og instrument-/kalibreringsforventningerne.
• Definer kuponlængde, fjernelse af launch eller gating-tilgang og den region, der bruges til den rapporterede værdi.
• Behold kuponen på samme panelkonstruktion, lag, kobber og referencesystem som produktstrukturen.
• Registrer, om den rapporterede værdi er et gennemsnit, en median, et vinduesresultat eller en anden aftalt statistik.
• Definer, hvordan outliers, beskadigede kuponlanceringer og gentest håndteres.

Kuponkorrelation har også begrænsninger. En lang, lige kupon inkluderer ikke alle pads, neck-downs, vias, connector launch eller plane openings på produktet. Disse diskontinuiteter hører hjemme i kanalmodellen eller en dedikeret teststruktur. Omvendt kan tilføjelse af komplekse produktfunktioner til impedanskuponen gøre det vanskeligt at adskille procesimpedans fra en bevidst diskontinuitet.

For programmer med snæver tolerance bør korrelationen sammenligne målte kupongeometrier og mikrosektionsdata med feltløsermodellen. Hvis impedansen er høj eller lav, bør gennemgangen overveje presset dielektrikum, lederens top-/bundbredde, kobbertykkelse og materialekonstruktion, før der ændres illustrationer. Justering af sporbredden uden at identificere den fysiske årsag kan få ét parti til at bestå, samtidig med at repeterbarheden svækkes.