Kontrola impedancji 10-warstwowej płytki PCB i weryfikacja TDR

Kontrolowaną impedancję uzyskuje się poprzez kontrolowanie struktury linii transmisyjnej, a nie poprzez przypisanie standardowej szerokości ścieżki do protokołu. Ten sam cel 50 Ω może wymagać zupełnie innej geometrii na dwóch płytkach dziesięciowarstwowych, ponieważ grubość dielektryka, grubość miedzi, konstrukcja materiału, maska ​​lutownicza i sąsiednia warstwa miedzi są różne. Rysunek produkcyjny powinien zatem określać cel i strukturę odniesienia, a opublikowany układ warstw i obliczenia producenta określają ostateczną szerokość i odstępy.

W tym przewodniku wyjaśniono, co należy obliczyć, do czego właściwie odnosi się tolerancja wykonania i jak próbka TDR powinna odzwierciedlać strukturę frezowaną. Celowo unika się publikowania uniwersalnych zasad „5 mil równa się 50 Ω”, ponieważ wartości te stają się błędne natychmiast po zmianie konstrukcji.

Kontrolowana impedancja to definicja stosu i procesu

Impedancja charakterystyczna ścieżki PCB jest ustalana przez rozkład pól elektrycznych i magnetycznych wokół przewodnika. Dominującymi parametrami wejściowymi są: przekrój poprzeczny gotowego przewodnika, odległość od jednej lub kilku płaszczyzn odniesienia, właściwości dielektryczne, odstępy między parami w liniach sprzężonych, maska ​​lutownicza na strukturach powierzchniowych oraz obecność pobliskiej miedzi. Chropowatość miedzi i straty dielektryczne wpływają na propagację i mierzoną odpowiedź, szczególnie wraz ze wzrostem częstotliwości narastania sygnału.

Kolejność kontrolowanej impedancji powinna odpowiedzieć na dwa różne pytania. Po pierwsze, jaka geometria ma spełnić cel na wybranym stosie? Po drugie, w jaki sposób będzie weryfikowana produkcja? Obliczenia metodą field-solver rozwiązują pierwsze pytanie; reprezentatywny kupon i procedura TDR rozwiązują drugie. Żadne z nich nie zastępuje symulacji kanału, gdy istotne są tłumienie wtrąceniowe, nieciągłości i złącza.

10 warstwowy stos Musi zostać zamrożona przed zamrożeniem wyfrezowanej geometrii. Jeśli producent zmieni rdzeń, prepreg, folię miedzianą lub grubość tłoczenia, obliczenia impedancji muszą zostać zaktualizowane, a wszelkie wynikające z tego zmiany w projekcie graficznym muszą być zgodne z uzgodnionym procesem zatwierdzania.

Dane wejściowe wymagane przed udostępnieniem geometrii śladu

W przypadku par różnicowych, producent powinien otrzymać szerokość i odstępy jako zmienne, a nie niezmienną regułę projektu graficznego, gdy układ warstw jest jeszcze w trakcie finalizacji. Udostępniony rysunek może zezwalać na kontrolowaną regulację szerokości w określonych granicach lub może wymagać zatwierdzenia przez klienta przed wprowadzeniem zmian w projekcie graficznym.

Impedancja jednostronna, nieparzysta i różnicowa

Cel jednostronny, taki jak 50 Ω, opisuje jeden przewodnik w stosunku do jego struktury powrotnej. Cel różnicowy, taki jak 85 Ω lub 100 Ω, opisuje różnicę napięć między dwoma przewodnikami napędzanymi w przeciwnych kierunkach. W przypadku pary sprzężonej symetrycznie, impedancja różnicowa jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż impedancja dla trybu nieparzystego. Nie jest ona koniecznie dwukrotnie większa niż impedancja jednostronna któregokolwiek ze śladów, gdy drugi ślad jest nieobecny.

Silne sprzężenie pozwala na węższy odstęp między parami i może obniżyć impedancję różnicową, ale jednocześnie zwiększa wrażliwość wyniku na zmiany odstępu i lokalną separację par. Na pary słabo sprzężone większy wpływ mają ich płaszczyzny odniesienia, a mniejszy dokładna szczelina, ale mogą one zużywać więcej miejsca na ścieżkę. Właściwa równowaga zależy od gęstości ścieżki, przesunięcia, przesłuchów do sąsiednich kanałów oraz możliwości wytrawiania przez producenta.

Impedancja w trybie wspólnym i konwersja trybu mogą mieć znaczenie nawet po przekroczeniu wartości różnicowej TDR. Asymetryczne wybicie, nierówne przebicia przez antypady, różne przejścia referencyjne i jednostronne strojenie mogą przekształcić energię różnicową w tryb wspólny. Przy wysokich prędkościach transmisji danych, trójwymiarowy model przejścia jest bardziej informatywny niż pojedyncza wartość kuponu.

Struktury mikropaskowe, paskowe i koplanarne

Mikropasek warstwy zewnętrznej

Mikropaskowy układ jest łatwy do sondowania i trasowania, ale jego pola rozciągają się zarówno na laminat, jak i maskę powietrzną lub lutowniczą. Efektywna stała dielektryczna jest zatem niższa niż w przypadku laminatu masowego Dk. Maska lutownicza, wykończenie powierzchni, lokalne zalewy miedziane i pady komponentów mogą zaburzać wynik. Powłoka warstwy zewnętrznej również zmienia grubość przewodnika po wybraniu folii bazowej.

Wbudowany mikropasek i linia paskowa

Wbudowany mikropasek jest pokryty dielektrykiem z obu stron, ale odnosi się głównie do jednej płaszczyzny. Linia paskowa leży między dwiema płaszczyznami. Symetryczna linia paskowa ma równe lub prawie równe odstępy dielektryczne; asymetryczna linia paskowa ma dominujący, bliższy punkt odniesienia, ale nadal oddziałuje z obiema płaszczyznami. Solver powinien modelować obie granice i rzeczywistą pozycję śladu po laminacji.

Struktury falowodowe współpłaszczyznowe

Uziemienie współpłaszczyznowe może kontrolować rozprzestrzenianie się pola i zapewniać ekranowanie, ale odstęp między bocznymi przewodami miedzianymi staje się kolejnym krytycznym wymiarem. Wyspy uziemienia muszą być połączone z płaszczyzną odniesienia za pomocą odpowiedniego układu przelotek, w przeciwnym razie mogą zachowywać się jak przewodniki rezonansowe. Struktury współpłaszczyznowe powinny być modelowane z wykorzystaniem rzeczywistej maski i geometrii uziemienia, a nie dołączane jako ogólna zasada „wylewania uziemienia”.

Zmienność produkcji i realistyczny budżet tolerancji

Impedancja produkcyjna zmienia się, ponieważ kilka wymiarów przesuwa się razem. Trawienie zmienia szerokość górnej i dolnej części. Laminowanie zmienia grubość dielektryka tłoczonego. Zawartość żywicy i rozkład szkła wpływają na efektywny współczynnik Dk. Powłoka zewnętrzna i maska ​​lutownicza zwiększają zmienność. Odpowiedzialna analiza tolerancji wykorzystuje możliwości technologiczne dostawcy w zakresie dokładnej konstrukcji, zamiast zakładać, że każdy element wejściowy może być utrzymany na poziomie nominalnym.

+/-10% to powszechna tolerancja w zamówieniach, ale nie jest to uniwersalna tolerancja narzucona przez dokument IPC. Węższe przedziały mogą być możliwe w przypadku wybranych konstrukcji i rozmiarów paneli, podczas gdy niektóre konstrukcje o wysokiej impedancji, bardzo cienkie lub mocno platerowane mogą być mniej podatne. Przed określeniem +/-5% lub węższego zakresu, należy potwierdzić dostępny margines geometrii, metodę próbkowania, próbkowanie partii oraz to, czy tolerancja jest mierzona na próbce, czy gwarantowana w każdym miejscu frezowania.

Zwiększenie impedancji bez uzasadnienia na poziomie kanału może zwiększyć liczbę odpadów lub wymusić szerszą geometrię ścieżek/przestrzeni, co negatywnie wpływa na gęstość trasowania. Z drugiej strony, nominalny kupon +/-10% może być niewystarczający, gdy nieciągłości złącza, obudowy i przelotek pozostawiają niewielki margines bezpieczeństwa systemu. Tolerancja powinna wynikać z budżetu elektrycznego i badania możliwości produkcyjnych.

Projektowanie kuponów i weryfikacja TDR

Norma IPC-2141 to przewodnik projektowania obwodów o kontrolowanej impedancji; nie jest to metoda pomiaru TDR. Pomiar impedancji charakterystycznej metodą reflektometrii w dziedzinie czasu jest omówiony w metodzie IPC-TM-650 2.5.5.7A. Zamówienie powinno zawierać wskazanie odpowiedniej metody lub uzgodnioną procedurę z klientem, a następnie określać szczegóły dotyczące kuponu i akceptacji, których sama metoda nie rozstrzyga.

Kupon reprezentatywny

Odcinek powinien wykorzystywać tę samą warstwę, strukturę odniesienia, obróbkę miedzi, konstrukcję dielektryczną i stan maski lutowniczej, co ścieżka kontrolowana. Różnicowe odcinki powinny odzwierciedlać szerokość i odstępy między parami. W przypadku wielu struktur, jeden ślad odcinka nie może reprezentować ich wszystkich. Lokalizacja odcinka na panelu produkcyjnym ma znaczenie, ponieważ galwanizacja i trawienie mogą się różnić w zależności od obszaru.

Okno pomiarowe i uruchomienie

Punkt startowy, punkty styku sondy i początkowa nieciągłość muszą być oddzielone od jednorodnej sekcji używanej do odczytu impedancji. Czas narastania TDR powinien być odpowiedni do mierzonej cechy; zbyt szybkie zbocze może uwypuklić małe nieciągłości, podczas gdy wolne zbocze może je uśrednić. Straty i dyspersja mogą powodować nachylenie śladu, dlatego należy uzgodnić okno akceptacji i metodę raportowania.

Pobieranie próbek i zapisy

„Na panel”, „na partię” i „tylko pierwszy artykuł” to opcje komercyjne i związane z planem jakości, a nie automatyczne konsekwencje wartości tolerancji. Należy określić liczbę i lokalizację kuponów, status zniszczenia lub zatrzymania, definicję partii, zasadę ponownego testowania oraz to, czy wymagane są wykresy, czy wyniki podsumowujące. W przypadku programów o wysokiej niezawodności należy zachować identyfikowalność między kuponem, panelem i wysłanymi płytkami.

Jak określić impedancję na rysunku wykonawczym

Tabela impedancji powinna być na tyle jednoznaczna, aby zespoły inżynieryjne, CAM i inspekcyjne interpretowały ją w ten sam sposób.

Zachowaj zasady routingu protokołów w specyfikacji układu lub projektu oraz uwzględnij akceptację impedancji na rysunku produkcyjnym. To oddzielenie zapobiega interpretacji „PCIe” przez dostawcę jako kompletnego wymagania elektrycznego.

Do przeglądu prac artystycznych użyj Przewodnik po routingu 10-warstwowym; w celu uzyskania informacji o zmiennych i dokumentacji dotyczącej produkcji zapoznaj się z przewodnik po procesie produkcyjnym.

Diagnozowanie wyniku impedancji, który nie spełnia celu

Nieudany kupon powinien wywołać ustrukturyzowane dochodzenie, a nie natychmiastową zmianę szerokości linii. Sprawdź, czy kupon jest zgodny ze strukturą płytki, czy zastosowano prawidłową wersję stosu, czy okno startowe i pomiarowe TDR są prawidłowe, a na raportowanym wyniku nie ma wpływu nadmierna strata ani nieciągłość sondy. Następnie porównaj rzeczywisty przekrój śladu i grubość dielektryka z modelem solvera.

Niska zmierzona impedancja może wynikać z szerszej ścieżki, cieńszego dielektryka, wyższego efektywnego Dk, grubszej miedzi, bliższego współpłaszczyznowego uziemienia lub dodatkowej maski lutowniczej. Wysoka impedancja może wynikać z odwrotnych warunków. Różnice w wynikach mogą się zmieniać z powodu odstępów między parami, nawet jeśli szerokość każdej ścieżki jest prawidłowa. Dane z mikrosekcji i przeliczony model są bardziej przydatne niż zmiana jednego sygnału wejściowego na podstawie domysłów.

Jeśli błąd jest systematyczny, zaktualizuj model skalibrowany pod kątem procesu i kompensację grafiki. Jeśli jest on zlokalizowany w zależności od położenia panelu, sprawdź jednorodność trawienia, platerowania lub laminowania. Wszelkie poprawki lub decyzje dotyczące użycia w stanie, w jakim się znajdują, powinny uwzględniać margines systemu, a nie tylko procent kuponu.

Prześlij tabelę stosu i impedancji do przeglądu

Częstotliwość, strata i znaczenie numeru TDR

Impedancja charakterystyczna jest często przedstawiana jako jedna liczba, ale rzeczywisty interkonekt jest dyspersyjny i stratny. Właściwości dielektryczne, chropowatość miedzi i efekt naskórkowości zmieniają się wraz z częstotliwością, dlatego pozorny ślad TDR może mieć nachylenie wzdłuż długiego odcinka. Krótki, jednorodny odcinek może być odczytywany inaczej, gdy jest mierzony inną częstotliwością zbocza lub metodą de-embeddingu. Procedura akceptacji powinna zatem określać miejsce i sposób odczytu wartości, a nie opierać się wyłącznie na zrzucie ekranu.

Przechodzący kupon impedancji nie dowodzi niskiej tłumienności. Dwa ślady mogą mierzyć 50 Ω, podczas gdy jeden z nich wykorzystuje chropowatą miedź i dielektryk o wyższej stratności. Z drugiej strony, stratny ślad może sprawić, że odległy koniec przebiegu TDR będzie wyglądał inaczej, nawet jeśli jego geometria fizyczna jest jednorodna. W przypadku istotnej stratności kanału, oprócz TDR należy użyć odpowiedniego kuponu strat sygnału lub pomiaru parametru S.

Pułapki kuponów różnicowych

Różnicowy TDR wymaga zrównoważonych startów i równej długości elektrycznej do sekcji pomiarowej. Asymetria między sondami, nierównomierny rozpływ sygnału lub otwarcie płaszczyzny odniesienia mogą powodować konwersję modów, która wygląda jak problem impedancji par. Odcinek powinien mieć wystarczająco jednolitą długość, aby oddzielić start od okna ewaluacyjnego i powinien odtwarzać rzeczywistą strukturę maski i odniesienia. Zgłoszenie zarówno różnicowego, jak i, tam gdzie to przydatne, wspólnego zachowania może ujawnić asymetrię ukrytą za pojedynczą wartością średnią.

Korelacja produkcji

Po wprowadzeniu nowego układu warstw należy skorelować wyniki TDR z szerokością mikrosekcji, grubością miedzi i odstępem dielektrycznym. Taka korelacja tworzy bardziej wiarygodny model procesu dla kolejnych partii. Jeśli dostawca zmieni konstrukcję materiału, folię lub cykl prasy, należy zweryfikować korelację, zamiast zakładać, że poprzednia kompensacja nadal obowiązuje.

Wykonalność i autorytet artystyczny o wąskiej tolerancji

Dokładniejsza wartość nie zawsze oznacza lepszą specyfikację. Osiągalny rozkład zależy od szerokości ścieżki, wysokości dielektryka, grubości miedzi, położenia panelu, procesu trawienia oraz tego, czy struktura jest platerowana powierzchniowo. Bardzo wąskie ścieżki mogą wykazywać dużą różnicę procentową w porównaniu z niewielką, bezwzględną zmianą trawienia; linie o bardzo wysokiej impedancji mogą wymagać niepraktycznych szerokości lub odstępów dielektrycznych. Producent powinien rozważyć tolerancję jako kwestię możliwości procesu, a nie tylko zaakceptować ją jako opcję sprzedaży.

Przed udostępnieniem należy ustalić, kto ma kontrolę nad projektem graficznym. Jedną z metod jest dostarczenie przez klienta nominalnej geometrii i upoważnienie producenta do kompensacji szerokości i odstępu między liniami w stosunku do udostępnionego układu. Inną metodą jest zamrożenie geometrii i żądanie od dostawcy dokładnego dopasowania konstrukcji. Połączenie tych dwóch podejść prowadzi do sporów, gdy dostawca dostosowuje szerokość linii, a model odstępu między liniami, przekosu lub przesłuchu zakładał oryginalną geometrię.

W przypadku nowej konstrukcji należy rozważyć przeprowadzenie testu zdolności produkcyjnej pierwszego artykułu z próbkami w reprezentatywnych lokalizacjach paneli. Wykorzystaj zmierzony rozkład, aby ustalić realistyczny plan kontroli produkcji. Pojedynczy próbny próbnik nie może zapewnić zdolności produkcyjnej w dłuższej perspektywie, podczas gdy statystycznie uzasadniony proces może zapewnić węższy zakres bez nadmiernej kontroli.

Lista kontrolna uwalniania impedancji

Wymagania dotyczące impedancji są spełnione dopiero po zdefiniowaniu celu, struktury linii transmisyjnej, uprawnień produkcyjnych i planu weryfikacji. Rysunek, który zawiera „50 Ω” lub „100 Ω różnicowy” bez warstwy, odniesienia, tolerancji i stanu maski, pozostawia dostawcy swobodę w formułowaniu założeń.

• Zidentyfikuj każdą klasę impedancji na podstawie warstwy sygnału, płaszczyzny lub płaszczyzn odniesienia, celu, tolerancji i typu struktury.
• Należy podać nominalną geometrię jako zamierzenie projektowe i określić, czy dostawca może dostosować szerokość lub odstępy między parami.
• Model prasowanego dielektryka, wykończonej trapezowej miedzi, maski lutowniczej i pobliskiej miedzi.
• Użyj danych o materiałach specyficznych dla danej konstrukcji lub udokumentowanego modelu Dk producenta.
• Zaprojektuj kupony odzwierciedlające rzeczywistą strukturę produkcji oraz zdefiniuj metodę TDR, częstotliwość pobierania próbek i zawartość raportu.
• Oddziel weryfikację impedancji kuponu od strat wtrąceniowych kanału, zgodności przelotek i złącza.

Ścisła tolerancja powinna być uzasadniona wrażliwością kanału i wykazaną wydajnością procesu. Nie zastępuje ona ciągłej ścieżki powrotnej, dobrego przejścia przelotowego ani modelu strat całkowitych.

Niepewność pomiaru i korelacja kuponu z produktem

Na wynik TDR wpływają: próbka, start, mocowanie, szerokość pasma instrumentu, jakość płaszczyzny odniesienia, kalibracja oraz metoda wyboru raportowanego obszaru impedancji. Dwa laboratoria mogą mierzyć tę samą próbkę w różny sposób, jeśli warunki te nie są ze sobą zgodne. Procedura akceptacji powinna zatem określać więcej niż tylko cel i tolerancję.

• Określ metodę testowania lub procedurę klienta oraz oczekiwania dotyczące instrumentu/kalibracji.
• Zdefiniuj długość kuponu, metodę usuwania lub bramkowania oraz region używany dla raportowanej wartości.
• Zachowaj kupon dotyczący tej samej konstrukcji panelu, warstwy, miedzi i układu odniesienia, co struktura produktu.
• Zapisz, czy podana wartość jest średnią, medianą, wynikiem okienkowym czy inną uzgodnioną statystyką.
• Zdefiniuj sposób postępowania w przypadku wartości odstających, uruchomienia uszkodzonych kuponów i ponownych testów.

Korelacja kuponów również ma swoje ograniczenia. Długi, prosty kupon nie obejmuje wszystkich padów, przewężeń, przelotek, wyjść złączy ani otworów w płaszczyźnie produktu. Te nieciągłości należą do modelu kanału lub dedykowanej struktury testowej. Z drugiej strony, dodanie złożonych cech produktu do kuponu impedancji może utrudnić oddzielenie impedancji procesu od celowej nieciągłości.

W przypadku programów o wąskiej tolerancji korelacja powinna porównywać zmierzone dane z geometrii próbek i zgładów z modelem rozwiązania terenowego. Jeśli impedancja jest wysoka lub niska, przed zmianą grafiki należy uwzględnić prasowany dielektryk, szerokość górnego/dolnego przewodnika, grubość miedzi i konstrukcję materiału. Dostosowanie szerokości ścieżki bez zidentyfikowania przyczyny fizycznej może spowodować przejście jednej partii, jednocześnie osłabiając powtarzalność.