Impedantiecontrole en TDR-verificatie van 10-laags printplaten

Gecontroleerde impedantie wordt bereikt door de transmissielijnstructuur te controleren, niet door een standaard spoorbreedte aan een protocol toe te wijzen. Dezelfde 50 Ω-doelwaarde kan een heel andere geometrie vereisen op twee tienlaagse printplaten, omdat de dikte van het diëlektricum, de koperdikte, de materiaalsamenstelling, het soldeermasker en het aangrenzende koper verschillen. Een productietekening moet daarom de doelwaarde en de referentiestructuur specificeren, terwijl de vrijgegeven opbouw en de berekening door de fabrikant de uiteindelijke breedte en afstand bepalen.

Deze handleiding legt uit wat er berekend moet worden, waar een fabricagetolerantie precies op van toepassing is en hoe een TDR-coupon de gefreesde structuur moet weergeven. Er wordt bewust afgezien van het publiceren van universele regels zoals "5 mil is gelijk aan 50 Ω", omdat die getallen onjuist worden zodra de constructie verandert.

Gecontroleerde impedantie is een stapelings- en procesdefinitie.

De karakteristieke impedantie van een printplaatspoor wordt bepaald door de verdeling van elektrische en magnetische velden rond de geleider. De belangrijkste factoren zijn de doorsnede van de afgewerkte geleider, de afstand tot een of meer referentievlakken, de diëlektrische eigenschappen, de afstand tussen gekoppelde lijnen, het soldeermasker op oppervlaktestructuren en de aanwezigheid van koper in de buurt. Ruwheid van het koper en diëlektrisch verlies beïnvloeden de propagatie en de gemeten respons, met name naarmate de flanksnelheid toeneemt.

Een impedantiebestelling moet twee verschillende vragen beantwoorden. Ten eerste, welke geometrie zal naar verwachting aan de doelstelling voldoen bij de gekozen opbouw? Ten tweede, hoe zal de productie worden geverifieerd? Een veldberekening beantwoordt de eerste vraag; een representatief testcoupon en een TDR-procedure beantwoorden de tweede. Geen van beide vervangt een kanaalsimulatie wanneer invoegverlies, via discontinuïteiten en connectoren belangrijk zijn.

De 10 lagen stapelen De impedantieberekening moet worden bevroren voordat de gefreesde geometrie wordt bevroren. Als de fabrikant een kern, prepreg, koperfolie of geperste dikte wijzigt, moet de impedantieberekening worden bijgewerkt en moeten eventuele resulterende wijzigingen in het ontwerp de overeengekomen goedkeuringsprocedure volgen.

Vereiste invoer voordat de traceergeometrie kan worden vrijgegeven

Voor differentiële paren moet de fabrikant de breedte en de tussenruimte als variabelen ontvangen in plaats van een onveranderlijke ontwerpregel, zolang de opbouw nog wordt afgerond. De vrijgegeven tekening kan gecontroleerde breedteaanpassingen binnen vastgestelde grenzen toestaan, of kan klantgoedkeuring vereisen voordat er wijzigingen in het ontwerp worden aangebracht.

Enkelzijdige, oneven-modus en differentiële impedantie

Een enkelzijdige waarde zoals 50 Ω beschrijft één geleider ten opzichte van de retourstructuur. Een differentiële waarde zoals 85 Ω of 100 Ω beschrijft het spanningsverschil tussen twee geleiders die in tegengestelde richting worden aangestuurd. Voor een symmetrisch gekoppeld paar is de differentiële impedantie ongeveer tweemaal de oneven-modus impedantie. Het is niet noodzakelijkerwijs tweemaal de enkelzijdige impedantie van een van beide sporen wanneer het andere spoor afwezig is.

Sterke koppeling maakt een kleinere paarafstand mogelijk en kan de differentiële impedantie verlagen, maar maakt het resultaat ook gevoeliger voor variaties in de afstand en lokale paarscheiding. Zwak gekoppelde paren worden meer beïnvloed door hun referentievlakken en minder door de exacte afstand, maar kunnen meer routingbreedte in beslag nemen. De juiste balans hangt af van de routingdichtheid, de scheefstand, overspraak naar naburige kanalen en de etsmogelijkheden van de fabrikant.

Common-mode impedantie en modusconversie kunnen van belang zijn, zelfs wanneer de differentiële TDR-waarde voldoet. Asymmetrische breakout, ongelijke via-antipads, verschillende referentietransities en eenzijdige afstemming kunnen differentiële energie omzetten in common-mode. Bij hoge datasnelheden is een 3D-transitiemodel informatiever dan een enkele couponwaarde.

Microstrip-, stripline- en coplanaire structuren

Microstrip van de buitenste laag

Microstrip is gemakkelijk te testen en te routeren, maar de velden ervan strekken zich uit tot in het laminaat en de lucht of het soldeermasker. De effectieve diëlektrische constante is daarom lager dan die van het bulklaminaat (Dk). Het soldeermasker, de oppervlakteafwerking, lokale koperlagen en componentpads kunnen allemaal het resultaat beïnvloeden. Ook de beplating van de buitenlaag verandert de geleiderdikte nadat de basisfolie is gekozen.

Geïntegreerde microstrip en stripline

Een ingebedde microstrip is aan beide zijden bedekt met diëlektricum, maar is primair gekoppeld aan één vlak. Een stripline bevindt zich tussen twee vlakken. Een symmetrische stripline heeft een gelijke of nagenoeg gelijke diëlektrische afstand; een asymmetrische stripline heeft een dominante, dichterbij gelegen referentie, maar interacteert nog steeds met beide vlakken. Een veldoplosser moet zowel de grenzen als de werkelijke positie van de geleider na laminering modelleren.

Coplanaire golfgeleiderstructuren

Een coplanaire aarding kan de veldspreiding beheersen en afscherming bieden, maar de afstand tot het koper aan de zijkant wordt een andere kritische factor. Aardingseilanden moeten met het referentievlak verbonden worden door middel van een geschikt via-patroon, anders kunnen ze zich gedragen als resonante geleiders. Coplanaire structuren moeten gemodelleerd worden met de werkelijke masker- en aardingsgeometrie in plaats van te worden toegevoegd als een generieke "aardingsregel".

Productievariatie en een realistisch tolerantiebudget

De productie-impedantie verandert doordat verschillende dimensies tegelijk veranderen. Etsen verandert de breedte aan de boven- en onderkant. Lamineren verandert de dikte van het geperste diëlektricum. Het harsgehalte en de glasverdeling beïnvloeden de effectieve Dk-waarde. De buitenste laag en het soldeermasker voegen nog meer variatie toe. Een verantwoorde tolerantieanalyse maakt gebruik van de procescapaciteit van de leverancier voor de exacte constructie, in plaats van aan te nemen dat elke input op de nominale waarde kan worden gehouden.

+/-10% is een gangbare tolerantie bij de inkoop, maar het is geen universele standaard die door een IPC-document wordt opgelegd. Nauwere toleranties kunnen haalbaar zijn voor bepaalde constructies en paneelformaten, terwijl sommige constructies met een hoge impedantie, zeer dunne panelen of zware beplating minder geschikt zijn. Controleer voordat u +/-5% of nauwer specificeert de beschikbare geometrische marge, de couponmethode, de batchbemonstering en of de tolerantie op de coupon wordt gemeten of op elke productielocatie wordt gegarandeerd.

Het verlagen van de impedantie zonder een reden op kanaalniveau kan leiden tot meer afval of een bredere spoor-/ruimtegeometrie afdwingen die de routingdichtheid negatief beïnvloedt. Omgekeerd kan een nominale tolerantie van +/-10% ontoereikend zijn wanneer discontinuïteiten in connectoren, behuizingen en via's weinig marge in het systeem overlaten. De tolerantie moet worden bepaald op basis van het elektrische budget en de haalbaarheidsstudie van de productie.

Couponontwerp en TDR-verificatie

IPC-2141 is een ontwerprichtlijn voor circuits met gecontroleerde impedantie; het is niet de TDR-testmethode. Karakteristieke impedantiemeting door middel van tijdsdomeinreflectometrie wordt behandeld in IPC-TM-650 Methode 2.5.5.7A. Een inkooporder moet de toepasselijke methode of een overeengekomen klantprocedure vermelden en vervolgens de details van de coupon en de acceptatie specificeren die de methode op zich niet bepaalt.

Een representatieve coupon

De coupon moet dezelfde laag, referentiestructuur, koperbewerking, diëlektrische constructie en soldeermaskerconditie gebruiken als de gecontroleerde route. Differentiële coupons moeten de breedte en afstand van de paren reproduceren. Wanneer er meerdere structuren aanwezig zijn, kan één couponspoor ze niet allemaal vertegenwoordigen. De positie van de coupon op het productiepaneel is van belang, omdat de beplating en etsing over het paneel kunnen variëren.

Meetvenster en lancering

De startlijn, de meetpunten en de initiële discontinuïteit moeten gescheiden zijn van het uniforme gedeelte dat gebruikt wordt voor de impedantiemeting. De stijgtijd van de TDR moet geschikt zijn voor het te meten kenmerk; een te snelle flank kan kleine discontinuïteiten benadrukken, terwijl een trage flank ze kan middelen. Verlies en dispersie kunnen een hellende grafiek veroorzaken, dus het acceptatiebereik en de rapportagemethode moeten worden overeengekomen.

Steekproeven en registraties

“Per paneel”, “per lot” en “alleen eerste exemplaar” zijn commerciële en kwaliteitsplankeuzes, geen automatische gevolgen van een tolerantiewaarde. Specificeer het aantal en de locatie van de coupons, de status (vernietigend of behouden), de lotdefinitie, de hertestregel en of grafieken of samenvattende resultaten vereist zijn. Voor programma's met hoge betrouwbaarheid is het belangrijk om de traceerbaarheid tussen coupon, paneel en verzonden printplaten te waarborgen.

Hoe de impedantie op de fabricagetekening te specificeren

De impedantietabel moet zo eenduidig ​​zijn dat de engineering-, CAM- en inspectieteams deze op dezelfde manier kunnen interpreteren.

Houd de routeringsregels voor het protocol op in de lay-out of ontwerpspecificatie en de impedantieacceptatie op de fabricagetekening. Deze scheiding voorkomt dat een leverancier "PCIe" interpreteert als een complete elektrische eis.

Voor het beoordelen van kunstwerken kunt u gebruikmaken van de Routinggids met 10 lagen; voor fabricagevariabelen en documentatie, zie de handleiding voor het productieproces.

Diagnose van een impedantieresultaat dat het doel mist

Een afgekeurde testcoupon moet aanleiding geven tot een gestructureerd onderzoek in plaats van een onmiddellijke aanpassing van de lijnbreedte. Controleer of de coupon overeenkomt met de printplaatstructuur, of de juiste stackup-revisie is gebruikt, of het TDR-start- en meetvenster geldig zijn en of het gerapporteerde resultaat niet wordt gedomineerd door overmatig verlies of een discontinuïteit in de probe. Vergelijk vervolgens de werkelijke doorsnede van de printplaat en de diëlektrische dikte met het solver-model.

Een lage gemeten impedantie kan het gevolg zijn van een bredere printspoor, een dunnere diëlektrische laag, een hogere effectieve Dk-waarde, dikker koper, een dichtere coplanaire aarding of een extra soldeermasker. Een hoge impedantie kan het gevolg zijn van de tegenovergestelde omstandigheden. Differentiële resultaten kunnen variëren als gevolg van de afstand tussen de printsporen, zelfs wanneer de breedte van elk printspoor correct is. Microsectiegegevens en een herberekend model zijn nuttiger dan het op basis van gissingen aanpassen van één invoerwaarde.

Als de afwijking systematisch is, moet het procesgekalibreerde model en de artworkcompensatie worden bijgewerkt. Als de afwijking lokaal is en afhankelijk van de paneelpositie, moet de uniformiteit van het etsen, galvaniseren of lamineren worden onderzocht. Bij eventuele herwerking of afhandeling zonder aanpassingen moet rekening worden gehouden met de systeemmarge, niet alleen met het couponpercentage.

Dien een stackup- en impedantietabel in ter beoordeling.

Frequentie, verlies en de betekenis van het TDR-nummer

De karakteristieke impedantie wordt vaak weergegeven als één getal, maar een echte interconnectie is dispersief en verliesgevend. Diëlektrische eigenschappen, koperruwheid en skineffect veranderen met de frequentie, waardoor de schijnbare TDR-curve kan aflopen over een lange testcoupon. Een kort, uniform gedeelte kan een andere waarde aangeven wanneer gemeten met een andere flanksteilheid of de-embeddingmethode. De acceptatieprocedure moet daarom definiëren waar en hoe de waarde wordt afgelezen, in plaats van alleen te vertrouwen op een schermafbeelding.

Een goedgekeurde impedantiecoupon bewijst niet automatisch een lage insertieverlies. Twee sporen kunnen beide 50 Ω meten, terwijl het ene ruw koper en het andere een diëlektrisch materiaal met hogere verliezen gebruikt. Omgekeerd kan een verliesgevend spoor ervoor zorgen dat het uiteinde van een TDR-golfvorm er anders uitziet, zelfs als de fysieke geometrie uniform is. Wanneer kanaalverlies van belang is, gebruik dan naast TDR een geschikte signaalverliescoupon of S-parameter meting.

Valkuilen bij differentiële coupons

Differentiële TDR vereist gebalanceerde startpunten en een gelijke elektrische lengte naar het meetgedeelte. Asymmetrie tussen de probe-pads, ongelijke fanout of een opening in het referentievlak kunnen modusconversie veroorzaken die lijkt op een paarimpedantieprobleem. Het testmonster moet een voldoende uniforme lengte hebben om het startpunt van het evaluatievenster te scheiden en moet de werkelijke masker- en referentiestructuur reproduceren. Het rapporteren van zowel differentieel als, waar nuttig, common-mode gedrag kan een asymmetrie aan het licht brengen die verborgen blijft door een enkele gemiddelde waarde.

Productiecorrelatie

Wanneer een nieuwe opbouw wordt geïntroduceerd, moeten de TDR-resultaten worden gecorreleerd met de breedte van de microgesegmenteerde sporen, de koperdikte en de diëlektrische afstand. Deze correlatie creëert een betrouwbaarder procesmodel voor latere batches. Als een leverancier de materiaalsamenstelling, folie of perscyclus wijzigt, moet de correlatie worden herzien in plaats van aan te nemen dat de eerdere compensatie nog steeds van toepassing is.

Haalbaarheid met strikte toleranties en gezag van het kunstwerk

Een kleinere afwijking is niet altijd een betere specificatie. De haalbare spreiding hangt af van de spoorbreedte, de diëlektrische hoogte, de koperdikte, de positie op het paneel, het etsproces en of de structuur een oppervlaktecoating heeft. Zeer smalle sporen kunnen een grote procentuele verandering vertonen als gevolg van een kleine absolute etsvariatie; lijnen met een zeer hoge impedantie vereisen mogelijk breedtes of diëlektrische spleten die onpraktisch zijn. De fabrikant moet een tolerantie beoordelen als een kwestie van procesmogelijkheden, en deze niet zomaar accepteren als een verkoopoptie.

Vóór de release moet worden afgesproken wie de controle over het artwork heeft. Een methode is dat de klant de nominale geometrie aanlevert en de fabrikant toestemming geeft om de breedte en de tussenruimte aan te passen aan de uiteindelijke lay-out. Een andere methode is om de geometrie vast te leggen en van de leverancier te eisen dat deze de constructie exact nabootst. Het combineren van beide benaderingen leidt tot geschillen wanneer een leverancier de lijnbreedte aanpast, terwijl het model voor lay-outspeling, scheefstand of overspraak uitging van de oorspronkelijke geometrie.

Overweeg bij een nieuwbouwproject een eerste proefproductie met testmonsters op representatieve paneellocaties. Gebruik de gemeten verdeling om een ​​realistisch productiecontroleplan op te stellen. Een enkel goedgekeurd testmonster biedt geen garantie voor de lange termijn, terwijl een statistisch onderbouwd proces een nauwere bandbreedte kan ondersteunen zonder overmatige inspectie.

Checklist voor het vrijgeven van impedantie

Een impedantie-eis is pas compleet wanneer het doel, de transmissielijnstructuur, de productiebevoegdheid en het verificatieplan allemaal zijn gedefinieerd. Een tekening waarop "50 Ω" of "100 Ω differentieel" staat vermeld zonder laag, referentie, tolerantie en maskerconditie, laat de leverancier aannames doen.

• Identificeer elke impedantieklasse aan de hand van de signaallaag, het referentievlak of de referentievlakken, het doel, de tolerantie en het structuurtype.
• Geef de nominale geometrie op als ontwerpdoel en vermeld of de leverancier de breedte of de afstand tussen de paren mag aanpassen.
• Model van geperst diëlektricum, afgewerkt trapeziumvormig koper, soldeermasker en nabijgelegen koper.
• Gebruik constructiespecifieke materiaalgegevens of een gedocumenteerd ontwerp-DK-model van de fabrikant.
• Ontwerp coupons die de daadwerkelijke productiestructuur weerspiegelen en definieer de TDR-methode, de bemonsteringsfrequentie en de rapportinhoud.
• Houd de verificatie van de couponimpedantie gescheiden van de verificatie van het invoegverlies van het kanaal, de via's en de connectorconformiteit.

Strikte toleranties moeten worden gerechtvaardigd door de gevoeligheid van het kanaal en de aantoonbare procescapaciteit. Het is geen vervanging voor een continu retourpad, een goede via-overgang of een volledig verliesmodel.

Meetonzekerheid en correlatie tussen coupon en product

Een TDR-resultaat wordt beïnvloed door het testmonster, de lancering, de testopstelling, de bandbreedte van het instrument, de kwaliteit van het referentievlak, de kalibratie en de methode die wordt gebruikt om het gerapporteerde impedantiegebied te kiezen. Twee laboratoria kunnen hetzelfde testmonster verschillend meten als deze omstandigheden niet op elkaar zijn afgestemd. De acceptatieprocedure moet daarom meer definiëren dan alleen de streefwaarde en de tolerantie.

• Identificeer de testmethode of klantprocedure en de verwachtingen ten aanzien van het instrument/de kalibratie.
• Definieer de couponlengte, de verwijderingsmethode bij lancering of de gatingmethode en het gebied dat wordt gebruikt voor de gerapporteerde waarde.
• Houd de coupon op dezelfde paneelconstructie, laag, koper en referentiesysteem als de productstructuur.
• Noteer of de gerapporteerde waarde een gemiddelde, mediaan, resultaat met een tijdsvenster of een andere overeengekomen statistiek is.
• Definieer hoe uitschieters, beschadigde couponlanceringen en hertesten worden afgehandeld.

De correlatie tussen coupons heeft ook zijn beperkingen. Een lange, rechte coupon omvat niet elke pad, vernauwing, via, connectoruitlaat of vlakopening op het product. Die discontinuïteiten horen thuis in het kanaalmodel of een specifieke teststructuur. Omgekeerd kan het toevoegen van complexe productkenmerken aan de impedantiecoupon het moeilijk maken om procesimpedantie te scheiden van een opzettelijke discontinuïteit.

Bij programma's met nauwe toleranties moet de correlatie de gemeten coupongeometrie en microsectiegegevens vergelijken met het veldoplossingsmodel. Als de impedantie hoog of laag is, moet bij de beoordeling rekening worden gehouden met het geperste diëlektricum, de boven- en onderbreedte van de geleider, de koperdikte en de materiaalsamenstelling voordat het ontwerp wordt aangepast. Het aanpassen van de spoorbreedte zonder de fysieke oorzaak te achterhalen kan ertoe leiden dat één batch wordt goedgekeurd, terwijl de herhaalbaarheid afneemt.