Controle de impedância de PCB de 10 camadas e verificação TDR

A impedância controlada é obtida controlando-se a estrutura da linha de transmissão, e não atribuindo-se uma largura de trilha padrão a um protocolo. A mesma impedância alvo de 50 Ω pode exigir geometrias muito diferentes em duas placas de dez camadas, devido às diferenças na espessura do dielétrico, na espessura do cobre, na construção do material, na máscara de solda e no cobre adjacente. Portanto, um desenho de produção deve especificar a estrutura alvo e a estrutura de referência, enquanto a configuração de camadas liberada e o cálculo do fabricante definem a largura e o espaçamento finais.

Este guia explica o que deve ser calculado, a que se aplica, de fato, uma tolerância de fabricação e como um cupom TDR deve representar a estrutura roteada. Ele evita deliberadamente publicar regras universais do tipo "5 mil equivalem a 50 µm", porque esses números se tornam incorretos assim que a construção muda.

A impedância controlada é uma definição de empilhamento e processo.

A impedância característica de uma trilha de PCB é determinada pela distribuição dos campos elétrico e magnético ao redor do condutor. Os principais fatores que influenciam essa distribuição são a seção transversal do condutor, a distância até um ou mais planos de referência, as propriedades dielétricas, o espaçamento entre pares de linhas acopladas, a máscara de solda nas estruturas da superfície e a presença de cobre próximo. A rugosidade do cobre e as perdas dielétricas afetam a propagação e a resposta medida, principalmente com o aumento da taxa de variação da borda.

Um pedido de impedância controlada deve responder a duas perguntas diferentes. Primeiro, qual geometria se espera que atenda ao objetivo na configuração de camadas escolhida? Segundo, como a produção será verificada? O cálculo com o solucionador de campo aborda a primeira questão; um cupom representativo e um procedimento TDR abordam a segunda. Nenhum deles substitui uma simulação de canal quando a perda de inserção, as descontinuidades de vias e os conectores são importantes.

A configuração de 10 camadas deve ser definida antes da definição da geometria roteada. Caso o fabricante altere o núcleo, o pré-impregnado, a folha de cobre ou a espessura da camada prensada, o cálculo da impedância deverá ser atualizado e qualquer alteração resultante no projeto gráfico deverá seguir o processo de aprovação acordado.

Entradas necessárias antes que a geometria do traçado possa ser liberada.

Para pares diferenciais, o fabricante deve receber a largura e o espaçamento como variáveis, em vez de uma regra imutável na arte final, enquanto o empilhamento ainda está sendo finalizado. O desenho liberado pode autorizar o ajuste controlado da largura dentro de limites estabelecidos, ou pode exigir a aprovação do cliente antes de quaisquer alterações na arte final.

Impedância de terminação única, modo ímpar e diferencial

Uma impedância de terminação única, como 50 Ω, descreve um condutor em relação à sua estrutura de retorno. Uma impedância diferencial, como 85 Ω ou 100 Ω, descreve a diferença de potencial entre dois condutores excitados em direções opostas. Para um par acoplado simetricamente, a impedância diferencial é aproximadamente o dobro da impedância de modo ímpar. Ela não é necessariamente o dobro da impedância de terminação única de qualquer uma das trilhas quando a outra trilha está ausente.

O acoplamento forte permite um espaçamento menor entre os pares e pode reduzir a impedância diferencial, mas também torna o resultado mais sensível à variação do espaçamento e à separação local dos pares. Pares fracamente acoplados são mais influenciados por seus planos de referência e menos pela distância exata entre os pares, mas podem consumir mais largura de roteamento. O equilíbrio ideal depende da densidade de roteamento, da inclinação, da diafonia com os canais vizinhos e da capacidade de gravação do fabricante.

A impedância de modo comum e a conversão de modo podem ser relevantes mesmo quando o número TDR diferencial é atingido. Aberturas assimétricas, antipads de vias desiguais, diferentes transições de referência e sintonia unilateral podem converter energia diferencial em modo comum. Em altas taxas de dados, um modelo de transição 3D é mais informativo do que um único número de cupom.

Estruturas de microfita, stripline e coplanares

Microfita da camada externa

A microfita é fácil de sondar e rotear, mas seus campos se estendem tanto ao laminado quanto ao ar ou à máscara de solda. A constante dielétrica efetiva é, portanto, menor que a constante dielétrica (Dk) do laminado. A máscara de solda, o acabamento da superfície, os poros de cobre localizados e os pads dos componentes podem afetar o resultado. O revestimento da camada externa também altera a espessura do condutor após a seleção da folha base.

Microfita e linha de transmissão embutidas

A microfita embutida é revestida por um dielétrico em ambos os lados, mas sua referência principal é um plano. A linha de transmissão (stripline) situa-se entre dois planos. A stripline simétrica possui espaçamento dielétrico igual ou quase igual; a stripline assimétrica possui uma referência dominante mais próxima, mas ainda interage com ambos os planos. Um solucionador de campos deve modelar tanto as fronteiras quanto a posição real da trilha após a laminação.

Estruturas de guia de onda coplanares

O plano de aterramento coplanar pode controlar a dispersão do campo e fornecer blindagem, mas a distância até o cobre lateral torna-se outra dimensão crítica. As ilhas de aterramento devem ser conectadas ao plano de referência com um padrão de vias apropriado, caso contrário, podem se comportar como condutores ressonantes. As estruturas coplanares devem ser modeladas com a geometria real da máscara e do plano de aterramento, em vez de serem adicionadas como uma regra genérica de "preenchimento de aterramento".

Variação de fabricação e um orçamento de tolerância realista

A impedância de produção varia porque diversas dimensões se alteram simultaneamente. A corrosão altera as larguras superior e inferior. A laminação modifica a espessura do dielétrico prensado. O teor de resina e a distribuição de vidro afetam o Dk efetivo. O revestimento da camada externa e a máscara de solda adicionam ainda mais variação. Uma análise de tolerância responsável utiliza a capacidade de processo do fornecedor para a construção exata, em vez de assumir que cada entrada pode ser mantida em seu valor nominal.

+/- 10% é uma tolerância comum em aquisições, mas não é um padrão universal imposto por um documento IPC. Faixas de tolerância mais estreitas podem ser viáveis ​​em estruturas e tamanhos de painel selecionados, enquanto algumas estruturas de alta impedância, muito finas ou com revestimento espesso podem ser menos adequadas. Antes de especificar +/- 5% ou menos, confirme a margem geométrica disponível, o método de amostragem do cupom, a amostragem do lote e se a tolerância é medida no cupom ou garantida em cada ponto de roteamento.

A redução da impedância sem uma justificativa em nível de canal pode aumentar o desperdício ou forçar uma geometria de trilha/espaço mais ampla, prejudicando a densidade de roteamento. Por outro lado, uma tolerância nominal de +/-10% pode ser inadequada quando as descontinuidades nos conectores, encapsulamentos e vias deixam pouca margem no sistema. A tolerância deve ser definida com base no orçamento elétrico e no estudo da capacidade de fabricação.

Design de cupons e verificação TDR

A norma IPC-2141 é um guia de projeto para circuitos de impedância controlada; não se trata do método de teste TDR. A medição da impedância característica por reflectometria no domínio do tempo é abordada no método 2.5.5.7A da norma IPC-TM-650. Um pedido de compra deve citar o método aplicável ou um procedimento acordado com o cliente e, em seguida, definir os detalhes do cupom e da aceitação que o método por si só não define.

Um cupom representativo

O cupom deve utilizar a mesma camada, estrutura de referência, processamento de cobre, construção dielétrica e condição da máscara de solda que a rota controlada. Cupons diferenciais devem reproduzir a largura e o espaçamento dos pares. Quando existem múltiplas estruturas, um único cupom não pode representá-las todas. A localização do cupom no painel de produção é importante, pois a metalização e a corrosão podem variar ao longo do painel.

Janela de medição e lançamento

O ponto de lançamento, as almofadas de contato da sonda e a descontinuidade inicial devem ser separados da seção uniforme usada para a leitura de impedância. O tempo de subida do TDR deve ser apropriado para a característica que está sendo medida; uma subida excessivamente rápida pode enfatizar pequenas descontinuidades, enquanto uma subida lenta pode suavizá-las. Perdas e dispersão podem criar um traçado inclinado, portanto, a janela de aceitação e o método de geração de relatórios devem ser acordados.

Amostragem e registros

“Por painel”, “por lote” e “somente primeiro artigo” são escolhas comerciais e de planejamento de qualidade, não consequências automáticas de um valor de tolerância. Especifique o número e a localização dos cupons, o status destrutivo ou retido, a definição do lote, a regra de reteste e se são necessários gráficos ou resultados resumidos. Para programas de alta confiabilidade, preserve a rastreabilidade entre cupons, painéis e placas enviadas.

Como especificar a impedância no desenho de fabricação

A tabela de impedância deve ser suficientemente clara para que as equipes de engenharia, CAM e inspeção a interpretem da mesma maneira.

Mantenha as regras de roteamento de protocolo no layout ou na especificação do projeto e a aceitação de impedância no desenho de fabricação. Essa separação impede que um fornecedor interprete "PCIe" como um requisito elétrico completo.

Para revisão da arte final, utilize o guia de roteamento de 10 camadas ; para variáveis ​​de fabricação e documentação, consulte o guia do processo de fabricação.

Diagnóstico de um resultado de impedância que não atinge o alvo.

Um cupom defeituoso deve desencadear uma investigação estruturada em vez de uma alteração imediata na largura da linha. Confirme se o cupom corresponde à estrutura da placa, se a revisão correta da pilha de camadas foi utilizada, se o lançamento do TDR e a janela de medição são válidos e se o resultado relatado não é dominado por perdas excessivas ou por uma descontinuidade da sonda. Em seguida, compare a seção transversal real da trilha e a espessura dielétrica com o modelo do solucionador.

Uma baixa impedância medida pode resultar de uma trilha mais larga, dielétrico mais fino, maior Dk efetivo, cobre mais espesso, plano de aterramento mais próximo ou máscara de solda adicional. Uma alta impedância pode resultar das condições opostas. Os resultados diferenciais podem variar devido ao espaçamento entre pares, mesmo quando a largura de cada trilha está correta. Dados de microseção e um modelo recalculado são mais úteis do que alterar uma única entrada por tentativa e erro.

Se a falha for sistemática, atualize o modelo calibrado pelo processo e a compensação da arte. Se for localizada na posição do painel, investigue a uniformidade da gravação, da galvanoplastia ou da laminação. Qualquer retrabalho ou descarte sem alterações deve considerar a margem do sistema, e não apenas a porcentagem do cupom.

Envie uma tabela de impedância e empilhamento para revisão.

Frequência, Perda e o Significado do Número TDR

A impedância característica é frequentemente apresentada como um único número, mas uma interconexão real é dispersiva e apresenta perdas. As propriedades dielétricas, a rugosidade do cobre e o efeito pelicular variam com a frequência, de modo que o traçado TDR aparente pode apresentar inclinações ao longo de um trecho longo. Uma pequena seção uniforme pode apresentar leituras diferentes quando medida com uma taxa de amostragem ou método de desincorporação distintos. Portanto, o procedimento de aceitação deve definir onde e como o valor é lido, em vez de se basear apenas em uma captura de tela.

Um cupom de impedância aprovado não comprova baixa perda de inserção. Duas trilhas podem medir 50 Ω, mesmo que uma delas utilize cobre rugoso e um dielétrico de maior perda. Por outro lado, uma trilha com perdas pode fazer com que a extremidade oposta de uma forma de onda TDR pareça diferente, mesmo que sua geometria física seja uniforme. Quando a perda do canal for relevante, utilize um cupom de perda de sinal apropriado ou uma medição de parâmetros S, além do TDR.

Armadilhas dos cupons diferenciais

A análise TDR diferencial requer lançamentos balanceados e comprimento elétrico igual na seção de medição. Assimetria nas almofadas de contato, distribuição desigual ou abertura no plano de referência podem criar conversão de modo que se assemelha a um problema de impedância de par. O cupom deve incluir comprimento uniforme suficiente para separar o lançamento da janela de avaliação e deve reproduzir a máscara e a estrutura de referência reais. A apresentação do comportamento diferencial e, quando útil, do comportamento em modo comum pode revelar uma assimetria oculta por um único valor médio.

Correlação de produção

Quando uma nova configuração de camadas é introduzida, correlacione os resultados de TDR com a largura da trilha microseccionada, a espessura do cobre e o espaçamento dielétrico. Essa correlação cria um modelo de processo mais confiável para lotes subsequentes. Se um fornecedor alterar a construção do material, a folha ou o ciclo de prensagem, a correlação deve ser revisada em vez de assumir que a compensação anterior ainda se aplica.

Viabilidade com Tolerância Rigorosa e Autoridade da Obra de Arte

Um valor mais preciso nem sempre significa uma especificação melhor. A distribuição alcançável depende da largura da trilha, da altura do dielétrico, da espessura do cobre, da posição no painel, do processo de corrosão e se a estrutura possui revestimento superficial. Trilhas muito estreitas podem apresentar uma grande variação percentual devido a uma pequena variação absoluta na corrosão; linhas de alta impedância podem exigir larguras ou espaçamentos dielétricos impraticáveis. O fabricante deve analisar a tolerância como uma questão de capacidade do processo, e não simplesmente aceitá-la como uma opção de venda.

Antes da liberação, defina quem controla a arte final. Um método é o cliente fornecer a geometria nominal e autorizar o fabricante a compensar a largura e o espaçamento entre pares na configuração final. Outro método é congelar a geometria e exigir que o fornecedor reproduza a construção exatamente. A combinação das duas abordagens gera conflitos quando um fornecedor ajusta a largura da linha, mas o modelo de folga, inclinação ou interferência entre linhas (crosstalk) do layout assumiu a geometria original.

Para uma nova construção, considere um ensaio de capacidade do primeiro artigo com cupons em locais representativos do painel. Use a distribuição medida para definir um plano de controle de produção realista. Um único cupom aprovado não pode estabelecer a capacidade a longo prazo, enquanto um processo estatisticamente justificado pode suportar uma faixa mais estreita sem inspeção excessiva.

Lista de verificação para liberação de impedância

Um requisito de impedância só é considerado completo quando o alvo, a estrutura da linha de transmissão, a autoridade de fabricação e o plano de verificação estiverem definidos. Um desenho que lista “50 Ω” ou “100 Ω diferencial” sem especificar camada, referência, tolerância e condição da máscara deixa a cargo do fornecedor a responsabilidade de fazer suposições.

• Identifique cada classe de impedância por camada de sinal, plano ou planos de referência, alvo, tolerância e tipo de estrutura.
• Forneça a geometria nominal conforme a intenção do projeto e indique se o fornecedor pode ajustar a largura ou o espaçamento entre pares.
• Modelo de dielétrico prensado, cobre trapezoidal acabado, máscara de solda e cobre adjacente.
• Utilize dados de materiais específicos da construção ou um modelo Dk de projeto do fabricante documentado.
• Elabore cupons que representem a estrutura de produção real e defina o método TDR, a frequência de amostragem e o conteúdo do relatório.
• Mantenha a verificação da impedância do cupom separada da perda de inserção do canal, da conformidade do via e do conector.

A tolerância rigorosa deve ser justificada pela sensibilidade do canal e pela capacidade comprovada do processo. Ela não substitui um caminho de retorno contínuo, uma boa transição de via ou um modelo de perda completo.

Incerteza de medição e correlação entre cupom e produto

O resultado de uma medição TDR é afetado pelo cupom, lançamento, dispositivo de fixação, largura de banda do instrumento, qualidade do plano de referência, calibração e método utilizado para selecionar a região de impedância relatada. Dois laboratórios podem medir o mesmo cupom de forma diferente se essas condições não estiverem alinhadas. Portanto, o procedimento de aceitação deve definir mais do que apenas o alvo e a tolerância.

• Identifique o método de teste ou procedimento do cliente e as expectativas em relação ao instrumento/calibração.
• Defina a duração do cupom, a abordagem de remoção ou controle de lançamento e a região utilizada para o valor reportado.
• Mantenha o cupom na mesma construção de painel, camada, cobre e sistema de referência que a estrutura do produto.
• Registre se o valor relatado é uma média, mediana, resultado ajustado por janela ou outra estatística acordada.
• Defina como lidar com casos atípicos, lançamentos de cupons com problemas e retestes.

A correlação de cupons também tem limites. Um cupom longo e reto não inclui todas as trilhas, estreitamentos, vias, lançamentos de conectores ou aberturas de planos no produto. Essas descontinuidades pertencem ao modelo de canal ou a uma estrutura de teste dedicada. Por outro lado, adicionar características complexas do produto ao cupom de impedância pode dificultar a separação da impedância do processo de uma descontinuidade deliberada.

Para programas com tolerâncias rigorosas, a correlação deve comparar a geometria medida do cupom e os dados de microseção com o modelo do solucionador de campo. Se a impedância for alta ou baixa, a revisão deve considerar o dielétrico prensado, a largura superior/inferior do condutor, a espessura do cobre e a construção do material antes de alterar o projeto. Ajustar a largura da trilha sem identificar a causa física pode permitir a aprovação de um lote, comprometendo a repetibilidade.