Controllo dell'impedenza e verifica TDR del PCB a 10 strati

L'impedenza controllata si ottiene controllando la struttura di una linea di trasmissione, non assegnando una larghezza di traccia standard a un protocollo. Lo stesso target da 50 Ω può richiedere una geometria molto diversa su due schede a dieci strati, poiché lo spessore del dielettrico, lo spessore del rame, la composizione del materiale, la maschera di saldatura e il rame adiacente sono differenti. Un disegno di produzione dovrebbe quindi specificare il target e la struttura di riferimento, mentre la configurazione degli strati rilasciata e i calcoli del fabbricante definiscono la larghezza e la spaziatura finali.

Questa guida spiega cosa deve essere calcolato, a cosa si applica effettivamente una tolleranza di fabbricazione e come un campione TDR dovrebbe rappresentare la struttura fresata. Evita deliberatamente di pubblicare regole universali del tipo "5 mil equivalgono a 50 Å", perché questi valori diventano errati non appena la costruzione cambia.

L'impedenza controllata è una definizione di stack e di processo

L'impedenza caratteristica di una traccia su PCB è determinata dalla distribuzione dei campi elettrici e magnetici attorno al conduttore. I fattori predominanti sono la sezione trasversale finale del conduttore, la distanza da uno o più piani di riferimento, le proprietà dielettriche, la spaziatura tra le coppie di linee accoppiate, la maschera di saldatura sulle strutture superficiali e la presenza di rame nelle vicinanze. La rugosità del rame e le perdite dielettriche influenzano la propagazione e la risposta misurata, in particolare all'aumentare della frequenza di transizione.

Un ordine di impedenza controllata dovrebbe rispondere a due domande diverse. In primo luogo, quale geometria ci si aspetta che soddisfi l'obiettivo sulla configurazione di stackup scelta? In secondo luogo, come verrà verificata la produzione? Il calcolo con il risolutore di campo risponde alla prima domanda; un campione rappresentativo e una procedura TDR rispondono alla seconda. Nessuno dei due sostituisce una simulazione di canale quando la perdita di inserzione, le discontinuità dei via e i connettori sono importanti.

La stratificazione a 10 strati deve essere congelata prima che la geometria di instradamento venga congelata. Se il fabbricante modifica un nucleo, un preimpregnato, una lamina di rame o uno spessore pressato, il calcolo dell'impedenza deve essere aggiornato e qualsiasi modifica grafica risultante deve seguire la procedura di approvazione concordata.

Dati necessari prima del rilascio della geometria del tracciato

Per le coppie differenziali, il fabbricante dovrebbe ricevere larghezza e spaziatura come variabili anziché una regola grafica immutabile quando la stratificazione è ancora in fase di finalizzazione. Il disegno rilasciato può autorizzare una regolazione controllata della larghezza entro i limiti stabiliti, oppure può richiedere l'approvazione del cliente prima di apportare modifiche alla grafica.

Impedenza singola, di modo dispari e differenziale

Un valore target single-ended come 50 Ω descrive un conduttore rispetto alla sua struttura di ritorno. Un valore target differenziale come 85 Ω o 100 Ω descrive la differenza di potenziale tra due conduttori alimentati in direzioni opposte. Per una coppia accoppiata simmetrica, l'impedenza differenziale è approssimativamente il doppio dell'impedenza di modo dispari. Non è necessariamente il doppio dell'impedenza single-ended di nessuna delle due tracce quando l'altra traccia è assente.

Un accoppiamento forte consente una spaziatura tra le coppie più stretta e può ridurre l'impedenza differenziale, ma rende anche il risultato più sensibile alle variazioni di spaziatura e alla separazione locale tra le coppie. Le coppie debolmente accoppiate sono influenzate maggiormente dai loro piani di riferimento e meno dalla distanza esatta, ma possono occupare una maggiore larghezza di instradamento. Il giusto equilibrio dipende dalla densità di instradamento, dall'inclinazione, dalla diafonia con i canali adiacenti e dalle capacità di incisione del produttore.

L'impedenza di modo comune e la conversione di modo possono essere rilevanti anche quando il valore TDR differenziale è superiore. Un breakout asimmetrico, antipad di via non uniformi, transizioni di riferimento differenti e una sintonizzazione unilaterale possono convertire l'energia differenziale in modo comune. Ad alte velocità di trasmissione dati, un modello di transizione 3D è più informativo di un singolo valore di coupon.

Strutture a microstriscia, a stripline e complanari

microstriscia dello strato esterno

La tecnologia microstrip è facile da testare e instradare, ma i suoi campi si estendono sia nel laminato che nella maschera di saldatura o nell'aria. La costante dielettrica effettiva è quindi inferiore alla costante dielettrica del laminato in massa (Dk). La maschera di saldatura, la finitura superficiale, le colate di rame locali e i pad dei componenti possono tutti influenzare il risultato. Anche la placcatura dello strato esterno modifica lo spessore del conduttore dopo la selezione della lamina di base.

Microstrip e stripline incorporate

La microstriscia incorporata è ricoperta da un dielettrico su entrambi i lati, ma è riferita principalmente a un solo piano. La stripline si trova tra due piani. Una stripline simmetrica ha una spaziatura dielettrica uguale o quasi uguale; una stripline asimmetrica ha un riferimento dominante più vicino, ma interagisce comunque con entrambi i piani. Un risolutore di campo dovrebbe modellare entrambi i contorni e la posizione effettiva della traccia dopo la laminazione.

Strutture guida d'onda complanari

La messa a terra coplanare può controllare la propagazione del campo e fornire schermatura, ma lo spazio tra la messa a terra e il rame laterale diventa un'altra dimensione critica. Le isole di massa devono essere collegate al piano di riferimento con un'apposita configurazione di via, altrimenti possono comportarsi come conduttori risonanti. Le strutture coplanari dovrebbero essere modellate con la geometria effettiva della maschera e della messa a terra, piuttosto che essere aggiunte come una regola generica di "messa a terra".

Variazioni di produzione e un budget di tolleranza realistico

L'impedenza di produzione varia perché diverse dimensioni si muovono contemporaneamente. L'incisione modifica la larghezza superiore e inferiore. La laminazione modifica lo spessore del dielettrico pressato. Il contenuto di resina e la distribuzione del vetro influenzano il Dk effettivo. La placcatura dello strato esterno e la maschera di saldatura aggiungono ulteriore variabilità. Un'analisi di tolleranza responsabile utilizza la capacità di processo del fornitore per la costruzione esatta, anziché presumere che ogni input possa essere mantenuto al suo valore nominale.

Una tolleranza di approvvigionamento comune è del +/-10%, ma non è un valore predefinito universale imposto da un documento IPC. Per determinate strutture e dimensioni di pannelli, potrebbero essere possibili tolleranze più ristrette, mentre alcune strutture ad alta impedenza, molto sottili o con molte placche potrebbero risultare meno adatte. Prima di specificare una tolleranza del +/-5% o inferiore, è necessario verificare il margine geometrico disponibile, il metodo di campionamento, il campionamento del lotto e se la tolleranza viene misurata sul campione o garantita in ogni punto di lavorazione.

Ridurre l'impedenza senza una motivazione a livello di canale può aumentare gli scarti o imporre una geometria di traccia/spazio più ampia che compromette la densità di instradamento. Al contrario, una tolleranza nominale di +/-10% potrebbe essere insufficiente laddove le discontinuità di connettori, package e via lascino un margine di sistema ridotto. La tolleranza dovrebbe derivare dal budget elettrico e dallo studio delle capacità produttive.

Progettazione dei coupon e verifica TDR

La norma IPC-2141 è una guida alla progettazione di circuiti a impedenza controllata; non è il metodo di prova TDR. La misurazione dell'impedenza caratteristica mediante riflettometria nel dominio del tempo è trattata dal metodo 2.5.5.7A della norma IPC-TM-650. Un ordine di acquisto deve indicare il metodo applicabile o una procedura concordata con il cliente e definire i dettagli relativi al coupon e all'accettazione che il solo metodo non è in grado di determinare.

Un coupon rappresentativo

Il campione di prova deve utilizzare lo stesso strato, la stessa struttura di riferimento, lo stesso processo di lavorazione del rame, la stessa costruzione dielettrica e le stesse condizioni della maschera di saldatura del percorso controllato. I campioni di prova differenziali devono riprodurre la larghezza e la spaziatura delle coppie. Quando sono presenti più strutture, una singola traccia del campione di prova non può rappresentarle tutte. La posizione del campione di prova sul pannello di produzione è importante perché la placcatura e l'incisione possono variare sulla superficie del pannello.

Finestra di misurazione e lancio

Il punto di lancio, i pad della sonda e la discontinuità iniziale devono essere separati dalla sezione uniforme utilizzata per la lettura dell'impedenza. Il tempo di salita del TDR deve essere appropriato per la caratteristica misurata; un fronte eccessivamente veloce può enfatizzare piccole discontinuità, mentre un fronte lento può mediarle. Perdite e dispersione possono creare una traccia inclinata, quindi è necessario concordare la finestra di accettazione e il metodo di reporting.

Campionamento e registrazioni

Le diciture "per pannello", "per lotto" e "solo primo articolo" sono scelte commerciali e relative al piano di qualità, non conseguenze automatiche di un valore di tolleranza. Specificare il numero e la posizione dei campioni, lo stato di distruzione o conservazione, la definizione del lotto, la regola di ripetizione del test e se sono richiesti grafici o risultati riassuntivi. Per i programmi ad alta affidabilità, è fondamentale preservare la tracciabilità tra campione, pannello e schede spedite.

Come specificare l'impedenza sul disegno di fabbricazione

La tabella di impedenza deve essere sufficientemente chiara da permettere ai team di ingegneria, CAM e ispezione di interpretarla allo stesso modo.

Mantieni le regole di instradamento del protocollo nel layout o nelle specifiche di progettazione e mantieni l'accettazione dell'impedenza nel disegno di fabbricazione. Questa separazione impedisce a un fornitore di interpretare "PCIe" come un requisito elettrico completo.

Per la revisione del disegno, utilizzare la guida di instradamento a 10 strati ; per le variabili di fabbricazione e la documentazione, consultare la guida al processo di produzione.

Diagnosi di un risultato di impedenza che non raggiunge l'obiettivo

Un campione difettoso dovrebbe innescare un'indagine strutturata piuttosto che una modifica immediata della larghezza della linea. Verificare che il campione corrisponda alla struttura del circuito stampato, che sia stata utilizzata la revisione corretta dello stackup, che l'avvio del TDR e la finestra di misurazione siano validi e che il risultato riportato non sia dominato da perdite eccessive o da una discontinuità della sonda. Quindi confrontare la sezione trasversale effettiva della traccia e lo spessore del dielettrico con il modello del risolutore.

Una bassa impedenza misurata può derivare da una traccia più ampia, un dielettrico più sottile, un Dk effettivo più elevato, un rame più spesso, una massa più vicina e complanare o una maschera di saldatura aggiuntiva. Un'alta impedenza può derivare dalle condizioni opposte. I risultati differenziali possono variare a causa della spaziatura delle coppie anche quando la larghezza di ciascuna traccia è corretta. I dati di microsezione e un modello ricalcolato sono più utili che modificare un singolo parametro di input per tentativi.

Se l'errore è sistematico, aggiornare il modello calibrato sul processo e la compensazione grafica. Se è localizzato in base alla posizione del pannello, verificare l'uniformità dell'incisione, della placcatura o della laminazione. Qualsiasi rilavorazione o utilizzo così com'è deve tenere conto del margine di sistema, non solo della percentuale del campione.

Invia una tabella di stackup e impedenza per la revisione

Frequenza, perdite e significato del numero TDR

L'impedenza caratteristica viene spesso presentata come un singolo valore, ma un'interconnessione reale è dispersiva e presenta perdite. Le proprietà dielettriche, la rugosità del rame e l'effetto pelle variano con la frequenza, pertanto la traccia TDR apparente può presentare una pendenza lungo un campione di grandi dimensioni. Una breve sezione uniforme può fornire valori diversi se misurata con una diversa frequenza di campionamento o con un diverso metodo di de-embedding. La procedura di accettazione dovrebbe quindi definire dove e come viene letto il valore, anziché basarsi esclusivamente su una schermata.

Un campione di impedenza che supera il test non dimostra una bassa perdita di inserzione. Due tracce possono entrambe misurare 50 Ω, mentre una utilizza rame grezzo e un dielettrico con perdite maggiori. Viceversa, una traccia con perdite può far apparire diversa l'estremità lontana di una forma d'onda TDR anche quando la sua geometria fisica è uniforme. Quando la perdita di canale è rilevante, utilizzare un campione di perdita di segnale appropriato o una misurazione dei parametri S oltre al TDR.

Insidie ​​dei coupon differenziali

La TDR differenziale richiede lanci bilanciati e una lunghezza elettrica uguale per la sezione di misurazione. L'asimmetria del pad della sonda, il fanout non uniforme o un'apertura del piano di riferimento possono creare una conversione di modo che appare come un problema di impedenza di coppia. Il campione dovrebbe includere una lunghezza uniforme sufficiente a separare il lancio dalla finestra di valutazione e dovrebbe riprodurre la maschera e la struttura di riferimento effettive. La segnalazione sia del comportamento differenziale che, ove utile, del comportamento di modo comune può rivelare un'asimmetria nascosta da un singolo valore medio.

correlazione di produzione

Quando viene introdotto un nuovo stackup, è necessario correlare i risultati TDR con la larghezza delle tracce microsezionate, lo spessore del rame e la spaziatura del dielettrico. Tale correlazione crea un modello di processo più affidabile per i lotti successivi. Se un fornitore modifica la composizione del materiale, il tipo di lamina o il ciclo di stampa, la correlazione deve essere rivista anziché presumere che la compensazione precedente sia ancora valida.

Fattibilità a tolleranza ristretta e autorità in materia di grafica

Un valore più preciso non sempre corrisponde a una specifica migliore. La distribuzione ottenibile dipende dalla larghezza della traccia, dall'altezza del dielettrico, dallo spessore del rame, dalla posizione del pannello, dal processo di incisione e dalla presenza o meno di una placcatura superficiale sulla struttura. Tracce molto strette possono mostrare un'ampia variazione percentuale a fronte di una piccola variazione assoluta del processo di incisione; linee ad altissima impedenza possono richiedere larghezze o spazi dielettrici non praticabili. Il produttore dovrebbe valutare una tolleranza come una questione di capacità di processo, non semplicemente accettarla come un'opzione di vendita.

Prima del rilascio, è necessario concordare chi controlla la grafica. Un metodo consiste nel far sì che il cliente fornisca la geometria nominale e autorizzi il produttore a compensare la larghezza e la distanza tra le coppie di componenti in base alla configurazione finale rilasciata. Un altro metodo prevede di congelare la geometria e richiedere al fornitore di riprodurre la costruzione in modo esatto. La combinazione dei due approcci crea controversie quando un fornitore modifica la larghezza delle linee, ma il modello di spaziatura, inclinazione o diafonia del layout si basa sulla geometria originale.

Per una nuova costruzione, si consiglia di effettuare una prova di capacità del primo campione con campioni prelevati in posizioni rappresentative del pannello. Utilizzare la distribuzione misurata per definire un piano di controllo della produzione realistico. Un singolo campione idoneo non è sufficiente a stabilire la capacità a lungo termine, mentre un processo statisticamente giustificato può supportare una tolleranza più ristretta senza la necessità di ispezioni eccessive.

Lista di controllo per il rilascio dell'impedenza

Un requisito di impedenza è completo solo quando sono definiti l'obiettivo, la struttura della linea di trasmissione, l'autorità di produzione e il piano di verifica. Un disegno che elenca "50 Ω" o "100 Ω differenziale" senza specificare lo strato, il riferimento, la tolleranza e le condizioni della maschera lascia al fornitore la libertà di fare supposizioni.

• Identificare ciascuna classe di impedenza in base al livello del segnale, al piano o ai piani di riferimento, al target, alla tolleranza e al tipo di struttura.
• Fornire la geometria nominale come intento progettuale e specificare se il fornitore può regolare la larghezza o la spaziatura tra le coppie.
• Modello dielettrico pressato, rame trapezoidale rifinito, maschera di saldatura e rame circostante.
• Utilizzare dati sui materiali specifici per la costruzione o un modello di progettazione-Dk documentato dal fabbricante.
• Progettare coupon che rappresentino l'effettiva struttura produttiva e definiscano il metodo TDR, la frequenza di campionamento e il contenuto del report.
• Mantenere separata la verifica dell'impedenza del coupon dalla perdita di inserzione del canale, dalla conformità dei via e dei connettori.

Una tolleranza ristretta deve essere giustificata dalla sensibilità del canale e dalla comprovata capacità del processo. Non sostituisce un percorso di ritorno continuo, una transizione di via di buona qualità o un modello completo di perdita.

Incertezza di misurazione e correlazione tra coupon e prodotto

Il risultato di una TDR è influenzato dal campione, dal metodo di lancio, dal dispositivo di fissaggio, dalla larghezza di banda dello strumento, dalla qualità del piano di riferimento, dalla calibrazione e dal metodo utilizzato per scegliere la regione di impedenza da analizzare. Due laboratori possono misurare lo stesso campione in modo diverso se queste condizioni non sono allineate. La procedura di accettazione dovrebbe quindi definire più del semplice valore target e della tolleranza.

• Identificare il metodo di prova o la procedura del cliente e le aspettative relative allo strumento/alla calibrazione.
• Definire la durata del coupon, l'approccio di rimozione o di blocco al lancio e la regione utilizzata per il valore riportato.
• Mantenere il campione sulla stessa struttura del pannello, strato, rame e sistema di riferimento della struttura del prodotto.
• Indicare se il valore riportato è una media, una mediana, un risultato con finestra temporale o un'altra statistica concordata.
• Definire le modalità di gestione dei valori anomali, dei lanci di coupon danneggiati e delle fasi di ripetizione dei test.

Anche la correlazione dei campioni ha dei limiti. Un campione lungo e rettilineo non include ogni pad, restringimento, via, punto di ingresso del connettore o apertura del piano sul prodotto. Queste discontinuità appartengono al modello del canale o a una struttura di test dedicata. Viceversa, l'aggiunta di caratteristiche complesse del prodotto al campione di impedenza può rendere difficile separare l'impedenza di processo da una discontinuità intenzionale.

Per i programmi a tolleranza stretta, la correlazione dovrebbe confrontare la geometria del campione misurata e i dati della microsezione con il modello del risolutore di campo. Se l'impedenza è alta o bassa, la revisione dovrebbe considerare il dielettrico pressato, la larghezza superiore/inferiore del conduttore, lo spessore del rame e la struttura del materiale prima di modificare il layout. Regolare la larghezza della traccia senza identificare la causa fisica può far sì che un lotto superi i controlli, ma indebolendo la ripetibilità.