10-kerroksinen piirilevyn impedanssin säätö ja TDR-vahvistus

Hallittu impedanssi saavutetaan ohjaamalla siirtolinjan rakennetta, ei määrittämällä protokollaan vakiojohtimen leveyttä. Sama 50 Ω:n kohde voi vaatia hyvin erilaisen geometrian kahdella kymmenkerroksisella levyllä, koska dielektrisen paksuuden, kuparin paksuuden, materiaalirakenteen, juotosmaskin ja viereisen kuparin ominaisuudet ovat erilaiset. Siksi tuotantopiirustuksessa tulisi määritellä kohde ja referenssirakenne, kun taas julkaistu pinoamis- ja valmistajan laskelmat määrittelevät lopullisen leveyden ja välistyksen.

Tässä oppaassa selitetään, mitä on laskettava, mihin valmistustoleranssi oikeastaan ​​liittyy ja miten TDR-kupongin tulisi edustaa reititettyä rakennetta. Siinä vältetään tarkoituksella julkaisemasta yleismaailmallisia ”5 mil on 50 Ω” -sääntöjä, koska nämä luvut muuttuvat virheellisiksi heti rakenteen muuttuessa.

Kontrolloitu impedanssi on pinoamis- ja prosessimääritelmä

Piirilevyn johtimen ominaisimpedanssi määräytyy sähkö- ja magneettikenttien jakautumisen mukaan johtimen ympärillä. Hallitsevia lähtötietoja ovat valmiin johtimen poikkileikkaus, etäisyys yhteen tai useampaan referenssitasoon, dielektriset ominaisuudet, kytkettyjen johtimien parivälit, pintarakenteiden juotosmaski ja lähellä olevan kuparin läsnäolo. Kuparin karheus ja dielektrinen häviö vaikuttavat signaalin etenemiseen ja mitattuun vasteeseen, erityisesti reunanopeuden kasvaessa.

Kontrolloidun impedanssin mukaisen järjestyksen tulisi vastata kahteen eri kysymykseen. Ensinnäkin, minkä geometrian odotetaan saavuttavan tavoitteen valitulla pinolla? Toiseksi, miten tuotanto varmennetaan? Kenttäratkaisijalaskenta vastaa ensimmäiseen kysymykseen; edustava kuponki ja TDR-menetelmä toiseen. Kumpikaan ei korvaa kanavasimulaatiota, kun lisäysvaimennus epäjatkuvuuksien ja liittimien kautta ovat tärkeitä.

10-kerroksinen pinoaminen on jäädytettävä ennen jyrsityn geometrian jäädyttämistä. Jos valmistaja muuttaa ydintä, prepregiä, kuparifoliota tai puristettua paksuutta, impedanssilaskenta on päivitettävä ja kaikkien siitä johtuvien taideteosmuutosten on noudatettava sovittua hyväksymisprosessia.

Jäljitysgeometrian vapauttamiseen vaadittavat syötteet

Differentiaaliparien tapauksessa valmistajan tulisi saada leveys ja välistys muuttujina eikä muuttumattomana piirustussääntönä, kun pinoamista vielä viimeistellään. Julkaistu piirustus voi sallia hallitun leveyden säädön tietyissä rajoissa tai se voi vaatia asiakkaan hyväksynnän ennen piirustusten muutoksia.

Yksipäinen, pariton tila ja differentiaalinen impedanssi

Yksipäinen maali, kuten 50 Ω, kuvaa yhtä johdinta suhteessa sen paluurakenteeseen. Differentiaalimaali, kuten 85 Ω tai 100 Ω, kuvaa kahden vastakkaisiin suuntiin kulkevan johtimen välistä jännite-eroa. Symmetrisesti kytketyssä parissa differentiaaliimpedanssi on noin kaksinkertainen parittoman tilan impedanssiin verrattuna. Se ei välttämättä ole kaksinkertainen kummankaan johtimen yksipäiseen impedanssiin verrattuna, kun toinen johdin puuttuu.

Vahva kytkentä mahdollistaa kapeamman parivälin ja voi pienentää differentiaalista impedanssia, mutta se tekee tuloksesta myös herkemmän välien vaihteluille ja paikallisille parien etäisyydelle toisistaan. Heikosti kytkettyihin pareihin vaikuttavat enemmän niiden referenssitasot ja vähemmän tarkka rako, mutta ne voivat kuluttaa enemmän reititysleveyttä. Oikea tasapaino riippuu reititystiheydestä, vinoumasta, ylikuulumisesta naapurikanaviin ja valmistajan etsausominaisuuksista.

Yhteismuotoisen impedanssin ja moodimuunnoksen merkitys voi olla suuri, vaikka differentiaalinen TDR-luku ylittyisi. Epäsymmetrinen läpiajo, epätasainen läpiajo, erilaiset referenssi-siirtymät ja yksipuolinen viritys voivat muuntaa differentiaalisen energian yhteismuotoiseksi energiaksi. Suurilla tiedonsiirtonopeuksilla 3D-siirtymämalli on informatiivisempi kuin yksi kuponkiluku.

Mikroliuska-, liuskajohto- ja koplanaariset rakenteet

Ulkokerroksen mikroliuska

Mikroliuskaa on helppo mitata ja reitittää, mutta sen kentät ulottuvat sekä laminaattiin että ilmaan tai juotosmaskiin. Efektiivinen dielektrisyysvakio on siksi pienempi kuin bulkkilaminaatilla Dk. Juotosmaski, pinnan viimeistely, paikalliset kuparivalut ja komponenttien täplät voivat kaikki vaikuttaa tulokseen. Ulkokerroksen pinnoitus muuttaa myös johtimen paksuutta pohjakalvon valinnan jälkeen.

Upotettu mikroliuska ja liuskajohto

Upotettu mikroliuska on peitetty dielektrisellä kerroksella molemmilta puolilta, mutta se on ensisijaisesti referensoitu yhteen tasoon. Liuskajohto sijaitsee kahden tason välissä. Symmetrisellä liuskajohdolla on yhtä suuri tai lähes yhtä suuri dielektrinen etäisyys; epäsymmetrisellä liuskajohdolla on dominoiva läheisempi referenssi, mutta se on silti vuorovaikutuksessa molempien tasojen kanssa. Kenttäratkaisijan tulisi mallintaa sekä rajat että todellinen juovan sijainti laminoinnin jälkeen.

Koplanaariset aaltojohtimien rakenteet

Samantasoinen maadoitus voi hallita kentän leviämistä ja tarjota suojausta, mutta toinen kriittinen ulottuvuus on sivukupariin liittyvä rako. Maadoitussaarekkeet on yhdistettävä referenssitasoon sopivalla läpivientikuviolla, tai ne voivat toimia resonanssijohtimina. Samantasoiset rakenteet tulisi mallintaa todellisen maskin ja maadoitusgeometrian avulla sen sijaan, että ne liitetään yleisenä "maadoitusvalusääntönä".

Valmistusvaihtelu ja realistinen toleranssibudjetti

Tuotantoimpedanssi liikkuu, koska useat ulottuvuudet liikkuvat yhdessä. Etsaus muuttaa ylä- ja alaleveyttä. Laminointi muuttaa puristetun dielektrisen osan paksuutta. Hartsipitoisuus ja lasin jakautuminen vaikuttavat efektiiviseen Dk-arvoon. Ulkokerroksen pinnoitus ja juotosmaski lisäävät vaihtelua. Vastuullinen toleranssianalyysi käyttää toimittajan prosessiominaisuuksia tarkalleen rakenteelle sen sijaan, että oletettaisiin, että jokainen syöte voidaan pitää nimellisarvossaan.

+/-10 % on yleinen hankintatoleranssi, mutta se ei ole IPC-asiakirjan asettama universaali oletusarvo. Tiukemmat toleranssit voivat olla mahdollisia tietyille rakenteille ja paneelikoille, kun taas jotkin korkean impedanssin omaavat, erittäin ohuet tai voimakkaasti pinnoitetut rakenteet voivat olla vähemmän tehokkaita. Ennen kuin määrität +/-5 %:n tai tiukemman toleranssin, varmista käytettävissä oleva geometrian marginaali, kuponkimenetelmä, eränäytteenotto ja se, mitataanko toleranssi kupongista vai taataanko se jokaisessa reititetyssä kohdassa.

Impedanssin kiristäminen ilman kanavatason syytä voi lisätä romua tai pakottaa leveämmän johdin-/tilageometrian, mikä vahingoittaa reititystiheyttä. Toisaalta nimellinen +/- 10 %:n kuponki voi olla riittämätön, jos liittimen, kotelon ja läpivientien epäjatkuvuudet jättävät vain vähän järjestelmämarginaalia. Toleranssin tulisi perustua sähköbudjettiin ja valmistuskapasiteettitutkimukseen.

Kupongin suunnittelu ja TDR-vahvistus

IPC-2141 on suunnitteluopas kontrolloiduille impedanssipiireille; se ei ole TDR-testausmenetelmä. Aikatasoheijastusmittauksella tehtävä ominaisimpedanssin mittaus kuuluu IPC-TM-650-menetelmän 2.5.5.7A piiriin. Ostotilauksessa tulee mainita sovellettava menetelmä tai sovittu asiakkaan menettelytapa ja sitten määritellä kuponki- ja hyväksymistiedot, joita menetelmä yksinään ei ratkaise.

Edustava kuponki

Kupongin tulisi käyttää samaa kerrosta, referenssirakennetta, kuparikäsittelyä, dielektristä rakennetta ja juotosmaskin olosuhteita kuin kontrolloidussa reitissä. Differentiaalikuponkien tulisi toistaa parien leveydet ja väliset erot. Kun rakenteita on useita, yksi kuponkijälki ei voi edustaa niitä kaikkia. Kupongin sijainti tuotantopaneelissa on tärkeä, koska pinnoitus ja etsaus voivat vaihdella paneelin eri osissa.

Mittausikkuna ja käynnistys

Laukaisu, mittaustyynyt ja alkuperäinen epäjatkuvuuskohta on erotettava impedanssilukemassa käytetystä yhtenäisestä osasta. TDR:n nousuajan tulee olla sopiva mitattavalle ominaisuudelle; liian nopea reuna voi korostaa pieniä epäjatkuvuuksia, kun taas hidas reuna voi keskiarvoistaa ne. Häviö ja hajonta voivat luoda kaltevan käyrän, joten hyväksymisikkunasta ja raportointimenetelmästä on sovittava.

Näytteenotto ja tiedot

”Paneelikohtainen”, ”eräkohtainen” ja ”vain ensimmäinen artikkeli” ovat kaupallisia ja laatusuunnitelmaan liittyviä valintoja, eivät toleranssiarvon automaattisia seurauksia. Määritä kuponkien lukumäärä ja sijainti, tuhoamis- tai säilytysstatus, erän määritelmä, uudelleentestaussääntö ja se, tarvitaanko kuvaajia vai yhteenvetotuloksia. Korkean luotettavuuden ohjelmissa säilytä jäljitettävyys kuponkien, paneelien ja toimitettujen levyjen välillä.

Impedanssin määrittäminen valmistuspiirustuksissa

Impedanssitaulukon tulisi olla riittävän yksiselitteinen, jotta suunnittelu-, CAM- ja tarkastustiimit tulkitsevat sen samalla tavalla.

Pidä protokollan reitityssäännöt asettelussa tai suunnitteluspesifikaatiossa ja impedanssin hyväksyntä valmistuspiirustuksissa. Tämä erottelu estää toimittajaa tulkitsemasta "PCIe":tä täydelliseksi sähkövaatimukseksi.

Taideteosten tarkasteluun käytä 10-kerroksinen reititysopas; valmistusmuuttujien ja dokumentaation osalta katso valmistusprosessiopas.

Kohdearvoa huonomman impedanssituloksen diagnosointi

Epäonnistuneen testin tulisi käynnistää strukturoitu tutkimus välittömän viivanleveyden muutoksen sijaan. Varmista, että testi vastaa piirilevyn rakennetta, oikeaa pinoamisversiota on käytetty, TDR:n käynnistys- ja mittausikkuna ovat kelvollisia ja raportoitua tulosta ei hallitse liiallinen häviö tai anturin epäjatkuvuus. Vertaa sitten todellista jäljityksen poikkileikkausta ja dielektristä paksuutta ratkaisijamalliin.

Matala mitattu impedanssi voi johtua leveämmästä juovasta, ohuemmasta eristeestä, suuremmasta efektiivisestä Dk:sta, paksummasta kuparista, lähemmästä samassa tasossa olevasta maadoituksesta tai ylimääräisestä juotosmaskista. Korkea impedanssi voi johtua päinvastaisista olosuhteista. Differentiaalitulokset voivat liikkua parien välistyksen vuoksi, vaikka jokaisen juovan leveys olisi oikea. Mikroleikkaustiedot ja uudelleenlaskettu malli ovat hyödyllisempiä kuin yhden syötteen muuttaminen arvailemalla.

Jos puute on systemaattinen, päivitä prosessikalibroitu malli ja taideteoksen kompensaatio. Jos se paikallinen paneelin sijainnin mukaan, tutki syövytyksen, pinnoituksen tai laminoinnin tasaisuutta. Kaikissa uudelleentöissä tai sellaisenaan käytössä olevissa käsittelyissä on otettava huomioon järjestelmän kate, ei pelkästään kuponkiprosentti.

Lähetä pinoamis- ja impedanssitaulukko tarkistettavaksi

TDR-numeron taajuus, häviö ja merkitys

Ominaisimpedanssi esitetään usein yhtenä numerona, mutta todellinen yhteenliitäntä on dispersiivinen ja häviöllinen. Dielektriset ominaisuudet, kuparin karheus ja ihoilmiö muuttuvat taajuuden mukaan, joten näennäinen TDR-käyrä voi viettää kaltevuutta pitkällä kupongilla. Lyhyt, yhtenäinen osa voi näyttää erilaiselta mitattuna eri reunanopeudella tai irrotusmenetelmällä. Hyväksymismenettelyn tulisi siksi määritellä, mistä ja miten arvo luetaan, sen sijaan, että luotettaisiin pelkkään kuvakaappaukseen.

Läpikulkuimpedanssin kuponki ei takaa alhaista väliinkytkentähäviötä. Kaksi johdinta voivat molemmat mitata 50 Ω, kun taas toisessa käytetään karkeaa kuparia ja suuremman häviön omaavaa dielektristä ainetta. Kääntäen, häviöllinen johdin voi saada TDR-aaltomuodon loppupään näyttämään erilaiselta, vaikka sen fyysinen geometria olisi yhtenäinen. Kun kanavahäviöllä on merkitystä, käytä sopivaa signaalihäviökuponkia tai S-parametrin mittausta TDR:n lisäksi.

Differentiaalikuponkien sudenkuopat

Differentiaalinen TDR vaatii tasapainotettuja laukaisuja ja yhtä suuren sähköisen pituuden mittausalueelle. Anturin tyynyn epäsymmetria, epätasainen viuhkaulostulo tai referenssitason aukko voivat aiheuttaa moodimuunnoksen, joka näyttää pari-impedanssiongelmalta. Kupongin tulisi sisältää riittävästi tasaista pituutta erottaakseen laukaisualueen arviointi-ikkunasta ja sen tulisi toistaa todellinen maski- ja referenssirakenne. Sekä differentiaalisen että tarvittaessa yhteismoodikäyttäytymisen raportointi voi paljastaa yhden keskiarvon piilottaman epäsymmetrian.

Tuotannon korrelaatio

Kun uusi pino otetaan käyttöön, korreloi TDR-tulokset mikroleikkauksen mukaisen jälkileveyden, kuparin paksuuden ja dielektristen osien välistyksen kanssa. Tämä korrelaatio luo luotettavamman prosessimallin myöhemmille erille. Jos toimittaja muuttaa materiaalirakennetta, foliota tai puristussykliä, korrelaatiota tulisi tarkastella uudelleen sen sijaan, että oletettaisiin, että aiempi korvaus on edelleen voimassa.

Tiukan toleranssin toteutettavuus ja taideteoksen auktoriteetti

Tiukempi luku ei aina ole parempi spesifikaatio. Saavutettava jakauma riippuu johtimen leveydestä, dielektrisen korkeudesta, kuparin paksuudesta, paneelin sijainnista, syövytysprosessista ja siitä, onko rakenne pintapinnoitettu. Hyvin kapeat johtimet voivat poiketa suuresta prosentuaalisesta muutoksesta pienestä absoluuttisesta syövytysvaihtelusta; erittäin korkean impedanssin omaavat linjat saattavat vaatia epäkäytännöllisiä leveyksiä tai dielektrisiä rakoja. Valmistajan tulisi tarkastella toleranssia prosessikyvykkyyskysymyksenä, ei pelkästään hyväksyä sitä myyntivaihtoehtona.

Ennen julkaisua sovitaan, kuka hallinnoi kuvitusta. Yksi tapa on, että asiakas toimittaa nimellisgeometrian ja valtuuttaa valmistajan kompensoimaan leveyden ja parivälin julkaistuun pinoon. Toinen tapa on jäädyttää geometria ja vaatia toimittajaa vastaamaan rakennetta tarkasti. Kahden lähestymistavan yhdistäminen aiheuttaa kiistoja, kun toimittaja säätää viivanleveyttä, mutta asettelun välys-, vinous- tai ylikuulumismalli olettaa alkuperäisen geometrian.

Uudisrakenteessa harkitse ensimmäisen artikkelin kykyajoa kupongeilla edustavissa paneelien sijainnissa. Käytä mitattua jakaumaa realistisen tuotannonohjaussuunnitelman laatimiseen. Yksi hyväksytty kuponki ei voi varmistaa pitkän aikavälin kykyä, kun taas tilastollisesti perusteltu prosessi voi tukea tiukempaa vaihteluväliä ilman liiallista tarkastusta.

Impedanssin vapautuksen tarkistuslista

Impedanssivaatimus on täydellinen vasta, kun kohde, siirtolinjan rakenne, valmistuslupa ja varmennussuunnitelma on määritelty. Piirustus, jossa luetellaan "50 Ω" tai "100 Ω differentiaalinen" ilman kerrosta, referenssiä, toleranssia ja maskin kuntoa, jättää toimittajan tehtäväksi tehdä oletuksia.

• Tunnista jokainen impedanssiluokka signaalikerroksen, referenssitason tai -tasojen, kohteen, toleranssin ja rakennetyypin mukaan.
• Anna nimellinen geometria suunnittelutarkoituksena ja ilmoita, voiko toimittaja säätää leveyttä tai parien välistystä.
• Mallipuristettu dielektrinen osa, viimeistelty puolisuunnikkaan muotoinen kupari, juotosmaski ja lähellä oleva kupari.
• Käytä rakennekohtaisia ​​materiaalitietoja tai dokumentoitua valmistajan suunnittelumallia (Dk).
• Suunnittele kupongit, jotka edustavat todellista tuotantorakennetta ja määrittelevät TDR-menetelmän, näytteenottotiheyden ja raportin sisällön.
• Pidä kuponkiimpedanssin varmistus erillään kanavan lisäyshäviön, läpivienti- ja liittimen yhteensopivuuden varmistuksesta.

Tiukka toleranssi tulisi perustella kanavan herkkyydellä ja osoitetulla prosessikyvyllä. Se ei korvaa jatkuvaa paluureittiä, hyvää läpivirtaussiirtymää tai täydellisen häviön mallia.

Mittausepävarmuus ja kupongin ja tuotteen välinen korrelaatio

TDR-tulokseen vaikuttavat koekappale, laukaisu, kiinnityslaite, laitteen kaistanleveys, referenssitason laatu, kalibrointi ja raportoidun impedanssialueen valintaan käytetty menetelmä. Kaksi laboratoriota voi mitata saman koekappaleen eri tavalla, jos nämä olosuhteet eivät ole yhdenmukaisia. Hyväksymismenettelyn tulisi siksi määritellä enemmän kuin tavoite ja toleranssi.

• Tunnista testausmenetelmä tai asiakkaan menettely ja laitteeseen/kalibrointiin liittyvät odotukset.
• Määritä kupongin pituus, laukaisun poisto tai portitusmenetelmä ja raportoidulle arvolle käytetty alue.
• Pidä kuponki samalla paneelirakenteella, kerroksella, kuparilla ja referenssijärjestelmällä kuin tuoterakenne.
• Kirjaa ylös, onko raportoitu arvo keskiarvo, mediaani, ikkunoitu tulos vai jokin muu sovittu tilastollinen arvo.
• Määrittele, miten poikkeamat, vaurioituneiden kuponkien lanseeraukset ja uudelleentestaus käsitellään.

Myös kuponkikorrelaatiolla on rajoituksensa. Pitkä suora kuponki ei sisällä kaikkia tuotteen liitäntäpisteitä, kaulaosia, läpivientireikiä, liittimien lähtöjä tai tasoaukkoja. Nämä epäjatkuvuudet kuuluvat kanavamalliin tai omaan testausrakenteeseen. Toisaalta monimutkaisten tuoteominaisuuksien lisääminen impedanssikuponkiin voi vaikeuttaa prosessiimpedanssin erottamista tarkoituksellisesta epäjatkuvuudesta.

Tiukan toleranssin ohjelmissa korrelaation tulisi verrata mitattua kuponkigeometriaa ja mikroleikkausdataa kenttäratkaisijamalliin. Jos impedanssi on korkea tai matala, tarkastelussa tulisi ottaa huomioon puristettu eriste, johtimen ylä-/alaleveys, kuparin paksuus ja materiaalirakenne ennen kuvan muuttamista. Juovan leveyden säätäminen ilman fyysisen syyn tunnistamista voi tehdä yhdestä erästä läpimenon ja heikentää toistettavuutta.