Controlul impedanței PCB pe 10 straturi și verificarea TDR

Impedanța controlată se obține prin controlul structurii unei linii de transmisie, nu prin atribuirea unei lățimi standard a traseului unui protocol. Aceeași țintă de 50 Ω poate necesita o geometrie foarte diferită pe două plăci cu zece straturi, deoarece grosimea dielectricului, grosimea cuprului, construcția materialului, masca de lipire și cuprul învecinat sunt diferite. Prin urmare, un desen de producție ar trebui să specifice ținta și structura de referință, în timp ce stivuirea lansată și calculul fabricatorului definesc lățimea și spațierea finale.

Acest ghid explică ce trebuie calculat, la ce se aplică de fapt o toleranță de fabricație și cum ar trebui să reprezinte un cupon TDR structura rutată. Evită în mod deliberat publicarea regulilor universale „5 mil egal cu 50 Ω”, deoarece aceste numere devin greșite imediat ce construcția se schimbă.

Impedanța controlată este o definiție a stivuirii și a procesului

Impedanța caracteristică a unei urme de circuit imprimat pe un circuit imprimat (PCB) este stabilită prin distribuția câmpurilor electrice și magnetice din jurul conductorului. Datele de intrare dominante sunt secțiunea transversală a conductorului finit, distanța față de unul sau mai multe plane de referință, proprietățile dielectrice, distanța dintre perechi pentru liniile cuplate, masca de lipire pe structurile de suprafață și prezența cuprului în apropiere. Rugozitatea cuprului și pierderea dielectrică afectează propagarea și răspunsul măsurat, în special pe măsură ce rata de lipire crește.

O comandă cu impedanță controlată ar trebui să răspundă la două întrebări diferite. În primul rând, ce geometrie se așteaptă să îndeplinească obiectivul pe stackup-ul ales? În al doilea rând, cum va fi verificată producția? Calculul Field-Solver abordează prima problemă; un cupon reprezentativ și o procedură TDR abordează a doua problemă. Niciuna dintre acestea nu înlocuiește o simulare de canal atunci când pierderea de inserție, discontinuitățile de via și conectorii sunt importante.

Stivuirea de 10 straturi trebuie înghețată înainte ca geometria frezată să fie înghețată. Dacă producătorul modifică un miez, un prepreg, o folie de cupru sau grosimea presată, calculul impedanței trebuie actualizat, iar orice modificare rezultată a graficii trebuie să urmeze procesul de aprobare convenit.

Intrări necesare înainte ca geometria trasării să poată fi lansată

Pentru perechile diferențiale, fabricatorul ar trebui să primească lățimea și spațierea ca variabile, mai degrabă decât o regulă de ilustrație imuabilă atunci când stivuirea este încă în curs de finalizare. Desenul lansat poate autoriza ajustarea controlată a lățimii în limitele stabilite sau poate necesita aprobarea clientului înainte de modificarea ilustrației.

Impedanță cu un singur capăt, mod impar și diferențială

O țintă cu un singur capăt, cum ar fi 50 Ω, descrie un conductor în raport cu structura sa de retur. O țintă diferențială, cum ar fi 85 Ω sau 100 Ω, descrie diferența de tensiune dintre doi conductori acționați în direcții opuse. Pentru o pereche cuplată simetric, impedanța diferențială este de aproximativ două ori mai mare decât impedanța de mod impar. Nu este neapărat de două ori mai mare decât impedanța cu un singur capăt a oricăreia dintre urme atunci când cealaltă urme este absentă.

Cuplarea puternică permite o distanță mai mică între perechi și poate reduce impedanța diferențială, dar face ca rezultatul să fie mai sensibil la variația distanței și la separarea locală a perechilor. Perechile slab cuplate sunt influențate mai mult de planurile lor de referință și mai puțin de spațiul exact, dar pot consuma o lățime mai mare de rutare. Echilibrul corect depinde de densitatea de rutare, asimetrie, diafonie cu canalele vecine și capacitatea de gravare a fabricatorului.

Impedanța de mod comun și conversia de mod pot fi importante chiar și atunci când numărul TDR diferențial trece. Deconectarea asimetrică, inegalitatea prin intermediul antipad-urilor, tranzițiile de referință diferite și reglarea unilaterală pot converti energia diferențială în mod comun. La rate de transfer de date mari, un model de tranziție 3D este mai informativ decât un singur număr de cupon.

Structuri Microstrip, Stripline și Coplanare

Microstrip-ul stratului exterior

Microstrip-ul este ușor de sondat și de rutat, dar câmpurile sale se extind atât în ​​laminat, cât și în masca de aer sau de lipire. Prin urmare, constanta dielectrică efectivă este mai mică decât cea a laminatului în vrac Dk. Masca de lipire, finisajul suprafeței, turnările locale de cupru și pad-urile componentelor pot perturba rezultatul. Placarea stratului exterior modifică, de asemenea, grosimea conductorului după selectarea foliei de bază.

Microstrip și stripline încorporate

Microstripa încorporată este acoperită de dielectric pe ambele părți, dar este referită în principal la un plan. Linia de bandă se află între două plane. Linia de bandă simetrică are o distanță dielectrică egală sau aproape egală; linia de bandă asimetrică are o referință dominantă mai apropiată, dar totuși interacționează cu ambele plane. Un rezolvitor de câmp ar trebui să modeleze atât limitele, cât și poziția reală a urmei după laminare.

Structuri de ghid de undă coplanare

Împământarea coplanară poate controla răspândirea câmpului și poate oferi ecranare, dar spațiul dintre firele de cupru și cele laterale devine o altă dimensiune critică. Insulele de împământare trebuie conectate la planul de referință cu un model de via adecvat, altfel se pot comporta ca conductori rezonanți. Structurile coplanare ar trebui modelate cu masca și geometria reală a pământului, mai degrabă decât să fie adăugate ca o regulă generică de „turnare a pământului”.

Variația de fabricație și un buget de toleranță realist

Impedanța de producție se modifică deoarece mai multe dimensiuni se mișcă împreună. Gravarea modifică lățimea superioară și inferioară. Laminarea modifică grosimea dielectricului presat. Conținutul de rășină și distribuția sticlei afectează Dk-ul efectiv. Placarea stratului exterior și masca de lipire adaugă mai multe variații. O analiză responsabilă a toleranței utilizează capacitatea de proces a furnizorului pentru construcția exactă, mai degrabă decât să presupună că fiecare intrare poate fi menținută la valoarea sa nominală.

+/-10% este o toleranță obișnuită pentru achiziții, dar nu este o valoare implicită universală impusă de un document IPC. Benzile mai stricte pot fi fezabile pentru anumite structuri și dimensiuni de panouri, în timp ce unele structuri cu impedanță ridicată, foarte fine sau puternic placate pot fi mai puțin capabile. Înainte de a specifica +/-5% sau mai strict, confirmați marja geometrică disponibilă, metoda cuponului, eșantionarea lotului și dacă toleranța este măsurată pe cupon sau garantată la fiecare locație rutată.

Strângerea impedanței fără un motiv la nivel de canal poate crește rebuturile sau poate forța o geometrie a traseului/spațiului mai largă, ceea ce dăunează densității de rutare. În schimb, un cupon nominal de +/-10% poate fi inadecvat acolo unde discontinuitățile conectorului, capsularei și ale via-urilor lasă o marjă mică de sistem. Toleranța ar trebui să provină din bugetul electric și din studiul capacității de fabricație.

Designul cuponului și verificarea TDR

IPC-2141 este un ghid de proiectare pentru circuite cu impedanță controlată; nu este metoda de testare TDR. Măsurarea impedanței caracteristice prin reflectometrie în domeniul timpului este acoperită de Metoda 2.5.5.7A a IPC-TM-650. O comandă de achiziție trebuie să citeze metoda aplicabilă sau o procedură convenită de client și apoi să definească detaliile cuponului și ale acceptării pe care metoda singură nu le decide.

Un cupon reprezentativ

Cuponul ar trebui să utilizeze același strat, structură de referință, procesare a cuprului, construcție dielectrică și condiție a măștii de lipire ca și ruta controlată. Cupoanele diferențiale ar trebui să reproducă lățimea și spațierea perechilor. Atunci când există mai multe structuri, o singură urmă a cuponului nu le poate reprezenta pe toate. Locația cuponului pe panoul de producție este importantă deoarece placarea și gravarea pot varia pe panou.

Fereastra de măsurare și lansare

Lansarea, plăcuțele sondei și discontinuitatea inițială trebuie separate de secțiunea uniformă utilizată pentru citirea impedanței. Timpul de creștere TDR ar trebui să fie adecvat pentru caracteristica măsurată; o muchie excesiv de rapidă poate accentua discontinuitățile mici, în timp ce o muchie lentă le poate media. Pierderea și dispersia pot crea o urmă înclinată, așadar fereastra de acceptare și metoda de raportare ar trebui convenite.

Eșantionare și înregistrări

„Per panou”, „per lot” și „doar primul articol” sunt opțiuni comerciale și de plan de calitate, nu consecințe automate ale unei valori de toleranță. Specificați numărul și locația cupoanelor, starea distructivă sau reținută, definiția lotului, regula de retestare și dacă sunt necesare grafice sau rezultate sumarizate. Pentru programele de fiabilitate ridicată, păstrați trasabilitatea între cupon, panou și plăcile expediate.

Cum se specifică impedanța pe desenul de fabricație

Tabelul de impedanțe ar trebui să fie suficient de lipsit de ambiguitate pentru ca echipele de inginerie, CAM și inspecție să îl interpreteze în același mod.

Păstrați regulile de rutare a protocolului în specificațiile de proiectare sau de machetă și respectați acceptarea impedanței în desenul de fabricație. Această separare împiedică un furnizor să interpreteze „PCIe” ca o cerință electrică completă.

Pentru revizuirea graficii, utilizați ghidul de rutare cu 10 straturi ; pentru variabilele de fabricație și documentație, consultați ghidul procesului de fabricație.

Diagnosticarea unui rezultat al impedanței care ratează ținta

Un cupon eșuat ar trebui să declanșeze o investigație structurată, mai degrabă decât o modificare imediată a lățimii liniei. Confirmați că cuponul se potrivește cu structura plăcii, că a fost utilizată revizia corectă a stivuirii, că lansarea TDR și fereastra de măsurare sunt valide și că rezultatul raportat nu este dominat de pierderi excesive sau de o discontinuitate a sondei. Apoi, comparați secțiunea transversală reală a urmei și grosimea dielectricului cu modelul solverului.

O impedanță măsurată scăzută poate rezulta dintr-o urmă mai largă, un dielectric mai subțire, un Dk eficient mai mare, un cupru mai gros, o masă coplanară mai apropiată sau o mască de lipire suplimentară. O impedanță ridicată poate rezulta din condiții opuse. Rezultatele diferențiale se pot modifica din cauza spațierii perechilor, chiar și atunci când fiecare lățime a urmei este corectă. Datele microsecțiunii și un model recalculat sunt mai utile decât schimbarea unei intrări prin presupunere.

Dacă eroarea este sistematică, actualizați modelul calibrat în funcție de proces și compensarea graficii. Dacă este localizată în funcție de poziția panoului, investigați uniformitatea gravării, placarii sau laminării. Orice relucrare sau utilizare „ca atare” ar trebui să ia în considerare marja sistemului, nu doar procentul cuponului.

Trimiteți un tabel de Stackup și Impedanță pentru revizuire

Frecvența, pierderea și semnificația numărului TDR

Impedanța caracteristică este adesea prezentată ca un singur număr, dar o interconectare reală este dispersivă și cu pierderi. Proprietățile dielectrice, rugozitatea cuprului și efectul pelicular se modifică odată cu frecvența, astfel încât urma aparentă TDR poate avea o înclinație de-a lungul unui cupon lung. O secțiune uniformă scurtă poate fi citită diferit atunci când este măsurată cu o rată de muchie diferită sau o metodă de de-embedding diferită. Prin urmare, procedura de acceptare ar trebui să definească unde și cum este citită valoarea, mai degrabă decât să se bazeze doar pe o captură de ecran.

Un cupon de impedanță de trecere nu dovedește o pierdere de inserție scăzută. Două trasee pot măsura ambele 50 Ω, în timp ce una folosește cupru brut și un dielectric cu pierderi mai mari. În schimb, o trasă cu pierderi poate face ca capătul îndepărtat al unei forme de undă TDR să pară diferit, chiar și atunci când geometria sa fizică este uniformă. Când pierderea canalului contează, utilizați un cupon de pierdere de semnal adecvat sau o măsurare a parametrului S, pe lângă TDR.

Capcanele cuponului diferențial

TDR diferențial necesită lansări echilibrate și lungimi electrice egale până la secțiunea de măsurare. Asimetria dintre pad-urile sondei, distribuirea inegală a fasciculelor sau o deschidere a planului de referință pot crea o conversie de mod care seamănă cu o problemă de impedanță pereche. Cuponul ar trebui să includă o lungime uniformă suficientă pentru a separa lansarea de fereastra de evaluare și ar trebui să reproducă masca și structura de referință reale. Raportarea comportamentului atât diferențial, cât și, acolo unde este util, în mod comun poate dezvălui o asimetrie ascunsă de o singură valoare medie.

Corelația producției

Când se introduce o nouă stivuire (stackup), corelați rezultatele TDR cu lățimea urmei microsecționate, grosimea cuprului și spațierea dielectricului. Această corelație creează un model de proces mai fiabil pentru loturile ulterioare. Dacă un furnizor modifică construcția materialului, folia sau ciclul de presare, corelația ar trebui revizuită, mai degrabă decât să se presupună că compensația anterioară se aplică în continuare.

Fezabilitate cu toleranță strictă și autoritate artistică

Un număr mai restrâns nu este întotdeauna o specificație mai bună. Distribuția realizabilă depinde de lățimea urmei, înălțimea dielectricului, grosimea cuprului, poziția panoului, procesul de gravare și dacă structura este placată la suprafață. Urmele foarte înguste pot prezenta o schimbare procentuală mare față de o variație mică a gravării absolute; liniile cu impedanță foarte mare pot necesita lățimi sau goluri dielectrice care sunt impracticabile. Fabricantul ar trebui să analizeze o toleranță ca o chestiune de capacitate a procesului, nu doar să o accepte ca o opțiune de vânzare.

Înainte de lansare, conveniți asupra persoanei care controlează grafica. O metodă este ca clientul să furnizeze geometria nominală și să autorizeze fabricatorul să compenseze lățimea și spațiul dintre perechi la stivuirea lansată. O alta este înghețarea geometriei și solicitarea furnizorului să corespundă exact construcției. Combinarea celor două abordări creează dispute atunci când un furnizor ajustează lățimea liniei, dar distanța dintre machete, asimetria sau diafonia modelului presupun geometria originală.

Pentru o construcție nouă, luați în considerare o testare a capacității primului articol cu ​​cupoane în locații reprezentative ale panourilor. Folosiți distribuția măsurată pentru a stabili un plan realist de control al producției. Un singur cupon de trecere nu poate stabili capacitatea pe termen lung, în timp ce un proces justificat statistic poate susține o bandă mai strictă fără inspecții excesive.

Listă de verificare pentru eliberarea impedanței

O cerință de impedanță este completă numai atunci când ținta, structura liniei de transmisie, autoritatea de fabricație și planul de verificare sunt toate definite. Un desen care listează „diferențial de 50 Ω” sau „diferențial de 100 Ω” fără strat, referință, toleranță și condiția măștii lasă furnizorul să facă presupuneri.

• Identificați fiecare clasă de impedanță după stratul semnalului, planul sau planurile de referință, țintă, toleranță și tipul de structură.
• Furnizați geometria nominală ca intenție de proiectare și precizați dacă furnizorul poate ajusta lățimea sau spațierea perechilor.
• Model dielectric presat, cupru trapezoidal finisat, mască de lipire și cupru învecinat.
• Folosiți date despre materiale specifice construcției sau un model documentat de proiectare Dk al fabricantului.
• Proiectați cupoane care reprezintă structura reală a producției și definesc metoda TDR, frecvența eșantionării și conținutul raportului.
• Păstrați verificarea impedanței cuponului separată de pierderea de inserție a canalului, conformitatea fișelor și conectorilor.

Toleranța strictă ar trebui justificată de sensibilitatea canalului și de capacitatea demonstrată a procesului. Nu înlocuiește o cale de retur continuă, o tranziție via bună sau un model de pierdere completă.

Incertitudinea măsurării și corelația cupon-produs

Un rezultat TDR este afectat de cupon, lansare, dispozitiv de fixare, lățimea de bandă a instrumentului, calitatea planului de referință, calibrare și metoda utilizată pentru alegerea regiunii de impedanță raportată. Două laboratoare pot măsura același cupon diferit dacă aceste condiții nu sunt aliniate. Prin urmare, procedura de acceptare ar trebui să definească mai mult decât ținta și toleranța.

• Identificați metoda de testare sau procedura clientului și așteptările privind instrumentul/calibrarea.
• Definiți lungimea cuponului, abordarea de eliminare a lansării sau de portițare și regiunea utilizată pentru valoarea raportată.
• Păstrați cuponul pe aceeași construcție de panou, strat, cupru și sistem de referință ca și structura produsului.
• Înregistrați dacă valoarea raportată este o medie, o mediană, un rezultat în ferestre sau o altă statistică convenită.
• Definiți modul în care sunt gestionate valorile aberante, lansările de cupoane deteriorate și retestarea.

Corelarea cuponului are și ea limite. Un cupon lung și drept nu include fiecare pad, neck-down, via, lansare a conectorului sau deschidere a planului produsului. Aceste discontinuități aparțin modelului de canal sau unei structuri de testare dedicate. În schimb, adăugarea de caracteristici complexe ale produsului la cuponul de impedanță poate face dificilă separarea impedanței procesului de o discontinuitate deliberată.

Pentru programele cu toleranțe stricte, corelația ar trebui să compare geometria cuponului măsurat și datele microsecțiunii cu modelul de rezolvare a câmpului. Dacă impedanța este mare sau mică, revizuirea ar trebui să ia în considerare dielectricul presat, lățimea superioară/inferioară a conductorului, grosimea cuprului și construcția materialului înainte de a modifica grafica. Ajustarea lățimii urmei fără identificarea cauzei fizice poate face ca un lot să fie acceptat, slăbind în același timp repetabilitatea.