Контроль импеданса 10-слойной печатной платы и проверка методом TDR.

Контролируемое сопротивление достигается за счет управления структурой линии передачи, а не путем назначения стандартной ширины трассы протоколу. Для одной и той же целевой структуры с сопротивлением 50 Ом может потребоваться совершенно разная геометрия на двух десятислойных платах, поскольку толщина диэлектрика, толщина меди, конструкция материала, паяльная маска и соседняя медь различаются. Поэтому на производственном чертеже следует указывать целевую структуру и эталонную структуру, а в утвержденной схеме расположения слоев и расчетах производителя определяются окончательная ширина и расстояние между элементами.

В этом руководстве объясняется, что необходимо рассчитать, к чему на самом деле относится допуск на изготовление и как образец TDR должен представлять собой выточенную конструкцию. В нем намеренно избегается публикация универсальных правил типа «5 мил равны 50 мкм», поскольку эти числа становятся неверными, как только изменяется конструкция.

Контролируемое сопротивление — это структура и определение процесса.

Характеристическое сопротивление дорожки печатной платы определяется распределением электрических и магнитных полей вокруг проводника. К основным факторам относятся: поперечное сечение готового проводника, расстояние до одной или нескольких опорных плоскостей, диэлектрические свойства, расстояние между парами для связанных линий, паяльная маска на поверхностных структурах и наличие близлежащей меди. Шероховатость меди и диэлектрические потери влияют на распространение и измеряемый отклик, особенно при увеличении скорости фронта сигнала.

Заказ на оборудование с контролируемым импедансом должен отвечать на два разных вопроса. Во-первых, какая геометрия должна соответствовать целевым параметрам выбранной структуры слоев? Во-вторых, как будет проводиться проверка производства? Расчет с помощью полевого решателя решает первый вопрос; репрезентативный образец и процедура TDR решают второй. Ни один из этих методов не заменяет моделирование канала, когда важны потери на входе, разрывы в переходных отверстиях и разъемы.

Перед фиксацией геометрии трассировки необходимо зафиксировать 10 -слойную структуру . Если производитель изменяет толщину сердечника, препрега, медной фольги или прессованного слоя, расчет импеданса должен быть обновлен, а любые изменения в макете должны соответствовать согласованной процедуре утверждения.

Необходимые входные данные перед выпуском трассировочной геометрии

Для дифференциальных пар изготовитель должен получать ширину и расстояние между элементами в качестве переменных, а не в виде неизменяемого правила построения макета на этапе окончательной доработки структуры. Выпущенный чертеж может разрешать контролируемую корректировку ширины в пределах установленных ограничений, или же может требовать одобрения заказчика до внесения изменений в макет.

Однополярное, нечетно-модовое и дифференциальное импедансное сопротивление

Однополярное сопротивление, например 50 Ом, описывает один проводник относительно его обратной структуры. Дифференциальное сопротивление, например 85 Ом или 100 Ом, описывает разность напряжений между двумя проводниками, работающими в противоположных направлениях. Для симметричной связанной пары дифференциальное сопротивление приблизительно вдвое больше сопротивления нечетной моды. Оно не обязательно вдвое больше однополярного сопротивления какой-либо из дорожек, если другая дорожка отсутствует.

Сильная связь позволяет уменьшить расстояние между парами и снизить дифференциальное сопротивление, но также делает результат более чувствительным к изменению расстояния и локальному разделению пар. На пары со слабой связью больше влияют их опорные плоскости и меньше — точный зазор, но они могут занимать большую ширину трассировки. Правильный баланс зависит от плотности трассировки, перекоса, перекрестных помех с соседними каналами и возможностей травления производителя.

Синфазное сопротивление и преобразование мод могут иметь значение, даже если дифференциальное значение TDR соответствует норме. Асимметричное соединение, неравные антиконтакты переходных отверстий, различные переходы опорного сигнала и односторонняя настройка могут преобразовывать дифференциальную энергию в синфазную. При высоких скоростях передачи данных трехмерная модель перехода более информативна, чем однозначный номер образца.

Микрополосковые, полосковые и копланарные структуры

Микрополоска внешнего слоя

Микрополосковые линии легко зондировать и прокладывать, но их поля распространяются как на ламинат, так и на воздушную или паяльную маску. Поэтому эффективная диэлектрическая постоянная ниже, чем диэлектрическая проницаемость основного ламината Dk. Паяльная маска, качество поверхности, локальные медные заливки и контактные площадки компонентов могут влиять на результат. Покрытие внешнего слоя также изменяет толщину проводника после выбора базовой фольги.

Встроенные микрополосковые и полосковые линии

Встроенная микрополосковая линия покрыта диэлектриком с обеих сторон, но в основном привязана к одной плоскости. Полосковая линия расположена между двумя плоскостями. Симметричная полосковая линия имеет равное или почти равное расстояние между диэлектриками; асимметричная полосковая линия имеет доминирующую ближнюю точку отсчета, но все еще взаимодействует с обеими плоскостями. Программное обеспечение для расчета поля должно моделировать как границы, так и фактическое положение трассы после ламинирования.

Копланарные волноводные структуры

Копланарное заземление может контролировать распространение поля и обеспечивать экранирование, но зазор между боковой медью и поверхностью становится еще одним критически важным параметром. Островки заземления должны быть соединены с опорной плоскостью с помощью соответствующего рисунка переходных отверстий, иначе они могут вести себя как резонансные проводники. Копланарные структуры следует моделировать с учетом фактической геометрии маски и заземления, а не добавлять в качестве общего правила «заливки заземления».

Производственные отклонения и реалистичный бюджет допусков

Производственное сопротивление изменяется из-за одновременного изменения нескольких параметров. Травление изменяет ширину верхней и нижней частей. Ламинирование изменяет толщину прессованного диэлектрика. Содержание смолы и распределение стекла влияют на эффективную диэлектрическую проницаемость (Dk). Нанесение внешнего слоя покрытия и паяльная маска добавляют дополнительные вариации. Ответственный анализ допусков использует технологический процесс поставщика для точной конструкции, а не предполагает, что каждый параметр может быть сохранен на своем номинальном значении.

Допустимое отклонение +/-10% является распространенным допуском при закупках, но это не универсальное значение по умолчанию, установленное документом IPC. Более жесткие диапазоны могут быть приемлемы для отдельных конструкций и размеров панелей, в то время как для некоторых конструкций с высоким импедансом, очень тонким или толстым слоем покрытия допуск может быть менее допустимым. Перед указанием допуска +/-5% или более жесткого допуска необходимо подтвердить доступный запас по геометрии, метод отбора образцов, выборочный контроль партии и определить, измеряется ли допуск на образце или гарантируется в каждом месте прокладки.

Увеличение импеданса без обоснования на уровне канала может привести к увеличению брака или к необходимости расширения геометрии дорожек/зазоров, что негативно скажется на плотности трассировки. И наоборот, номинальный допуск +/-10% может оказаться недостаточным, если разрывы в разъемах, корпусах и переходных отверстиях оставляют небольшой запас прочности системы. Допуск должен определяться на основе электрического бюджета и исследования производственных возможностей.

Разработка купонов и проверка TDR

IPC-2141 — это руководство по проектированию цепей с контролируемым импедансом; это не метод испытаний TDR. Измерение характеристического импеданса методом рефлектометрии во временной области рассматривается в методе 2.5.5.7A стандарта IPC-TM-650. В заказе на закупку следует указать применимый метод или согласованную с заказчиком процедуру, а затем определить детали купона и приемки, которые не определяются самим методом.

Типовой купон

Образец должен использовать тот же слой, эталонную структуру, обработку меди, конструкцию диэлектрика и состояние защитной маски, что и контролируемый маршрут. Дифференциальные образцы должны воспроизводить ширину и расстояние между парами. При наличии нескольких структур один образец не может представлять все из них. Расположение образца на производственной панели имеет значение, поскольку гальваническое покрытие и травление могут различаться по всей панели.

Окно измерений и запуск

Зонд запуска, контактные площадки и начальный разрыв должны быть отделены от однородного участка, используемого для измерения импеданса. Время нарастания TDR должно соответствовать измеряемому параметру; чрезмерно быстрый фронт может подчеркнуть небольшие разрывы, в то время как медленный фронт может их сгладить. Потери и дисперсия могут привести к наклону кривой, поэтому окно приема и метод представления данных должны быть согласованы.

Отбор проб и ведение учета

«На панель», «на партию» и «только на первый образец» — это коммерческие решения и требования к качеству, а не автоматические следствия заданного значения допуска. Укажите количество и местоположение образцов, статус (разрушаемый или сохраненный), определение партии, правила повторного тестирования и необходимость построения графиков или получения сводных результатов. Для программ с высокой надежностью необходимо обеспечить прослеживаемость между образцом, панелью и отгруженными образцами.

Как указать импеданс на чертеже для изготовления

Таблица импедансов должна быть достаточно однозначной, чтобы инженерные, CAM- и инспекционные группы могли интерпретировать ее одинаково.

Правила маршрутизации протоколов следует указывать в проектной документации или спецификации, а требования к сопротивлению — на чертеже для изготовления. Такое разделение предотвращает интерпретацию поставщиком «PCIe» как полного требования к электрооборудованию.

Для проверки макета используйте руководство по 10-слойной трассировке ; информацию о параметрах изготовления и документации см. в руководстве по производственному процессу.

Диагностика результатов измерения импеданса, не соответствующих целевым значениям.

Неисправный образец должен инициировать структурированное расследование, а не немедленное изменение ширины линии. Убедитесь, что образец соответствует структуре платы, использована правильная версия структуры слоев, окно запуска и измерения TDR являются допустимыми, а полученный результат не искажен чрезмерными потерями или разрывом зонда. Затем сравните фактическое поперечное сечение трассы и толщину диэлектрика с моделью решателя.

Низкое измеренное сопротивление может быть результатом большей ширины дорожки, более тонкого диэлектрика, более высокого эффективного Dk, более толстой меди, более близкого расположения заземления в одной плоскости или дополнительной паяльной маски. Высокое сопротивление может быть результатом противоположных условий. Результаты дифференциальных измерений могут отличаться из-за расстояния между парами проводников, даже если ширина каждой дорожки указана правильно. Данные микросрезов и пересчитанная модель более полезны, чем изменение одного из входных параметров методом проб и ошибок.

Если ошибка носит систематический характер, обновите модель, откалиброванную по процессу, и компенсацию графического изображения. Если ошибка локализована в зависимости от положения панели, проверьте равномерность травления, нанесения покрытия или ламинирования. При любой доработке или утилизации следует учитывать запас прочности системы, а не только процентное соотношение образца.

Предоставьте таблицу суммирования и импедансов для проверки.

Частота, потери и значение номера TDR.

Характеристическое сопротивление часто представляется одним числом, но реальное межсоединение является дисперсионным и имеет потери. Диэлектрические свойства, шероховатость меди и скин-эффект изменяются с частотой, поэтому видимая кривая TDR может иметь наклон вдоль длинного образца. Короткий однородный участок может давать другие показания при измерении с использованием другой частоты фронта сигнала или метода деэмбединга. Поэтому процедура приемки должна определять, где и как считывается значение, а не полагаться только на снимок экрана.

Прохождение через контрольный образец импеданса не доказывает низкие вносимые потери. Два проводника могут иметь значения 50 Ом, даже если один из них использует шероховатую медь и диэлектрик с более высокими потерями. И наоборот, проводник с потерями может привести к тому, что дальний конец сигнала TDR будет выглядеть иначе, даже если его физическая геометрия однородна. Когда потери в канале имеют значение, используйте соответствующий контрольный образец для измерения потерь сигнала или измерение S-параметров в дополнение к TDR.

Недостатки дифференцированных купонов

Для дифференциальной рефлектометрии с временной модуляцией (TDR) необходимы сбалансированные входные каналы и одинаковая электрическая длина измерительного участка. Асимметрия контактной площадки зонда, неравномерное разветвление или отверстие в опорной плоскости могут создавать преобразование мод, которое выглядит как проблема импеданса пары. Образец должен иметь достаточную равномерную длину, чтобы отделить входной канал от окна оценки, и должен воспроизводить фактическую маску и опорную структуру. Сообщение как о дифференциальном, так и, где это полезно, о синфазном поведении может выявить асимметрию, скрытую одним средним значением.

Корреляция производства

При внедрении новой структуры слоев необходимо сопоставить результаты TDR с шириной микросрезов дорожек, толщиной меди и расстоянием между диэлектриками. Такое сопоставление позволит создать более надежную технологическую модель для последующих партий. Если поставщик меняет материал, фольгу или цикл прессования, следует пересмотреть сопоставление, а не предполагать, что предыдущая компенсация по-прежнему применима.

Технико-экономическое обоснование с жесткими допусками и авторизация макета.

Более жесткие параметры не всегда означают лучшие характеристики. Достижимое распределение зависит от ширины дорожек, высоты диэлектрика, толщины меди, положения панели, процесса травления и наличия поверхностного покрытия. Очень узкие дорожки могут демонстрировать значительное процентное изменение при небольшом абсолютном изменении параметров травления; для линий с очень высоким импедансом могут потребоваться ширины или диэлектрические зазоры, которые нецелесообразны. Производитель должен рассматривать допуск как вопрос технологической возможности, а не просто принимать его как вариант, предлагаемый коммерческим предложением.

Перед выпуском необходимо согласовать, кто контролирует разработку макета. Один из методов заключается в том, чтобы заказчик предоставил номинальную геометрию и уполномочил изготовителя компенсировать ширину и зазор между парами в соответствии с выпущенной структурой. Другой метод — зафиксировать геометрию и потребовать от поставщика точно соответствовать конструкции. Сочетание этих двух подходов приводит к спорам, когда поставщик корректирует ширину линий, но модель компоновки, перекоса или перекрестных помех предполагает исходную геометрию.

Для нового производства следует провести тестирование первого образца с использованием проб, отобранных в репрезентативных местах на панели. Полученные данные следует использовать для составления реалистичного плана контроля производства. Один прошедший проверку образец не может гарантировать долгосрочную работоспособность, в то время как статистически обоснованный процесс может обеспечить более узкий диапазон контроля без чрезмерной проверки.

Контрольный список для снятия импеданса

Требования к импедансу считаются полными только тогда, когда определены целевое значение, структура линии передачи, разрешение на производство и план проверки. Чертеж, на котором указано «50 Ом» или «100 Ом разность», без указания слоя, эталонного значения, допуска и условий маски, вынуждает поставщика делать предположения.

• Определите каждый класс импеданса по сигнальному слою, опорной плоскости или плоскостям, целевому значению, допуску и типу конструкции.
• Укажите номинальные геометрические параметры в качестве проектного замысла и укажите, может ли поставщик регулировать ширину или расстояние между парами.
• Модель из прессованного диэлектрика, готовая трапециевидная медная проволока, паяльная маска и расположенная рядом медь.
• Используйте данные о материалах, специфичные для данной конструкции, или документированную проектную модель Dk, разработанную производителем.
• Разработайте образцы, отражающие фактическую структуру производства, и определите метод TDR, частоту отбора проб и содержание отчета.
• Проверку импеданса образца следует проводить отдельно от проверки потерь на входе в канал, соответствия переходным отверстиям и разъемам.

Жесткие допуски должны быть оправданы чувствительностью канала и продемонстрированными возможностями процесса. Они не заменяют непрерывный обратный путь, качественный переход через переходное отверстие или полную модель потерь.

Неопределенность измерений и корреляция между купоном и продуктом

На результат TDR влияют тип образца, способ запуска, крепление, полоса пропускания прибора, качество опорной плоскости, калибровка и метод выбора области сообщаемого импеданса. Две лаборатории могут измерить один и тот же образец по-разному, если эти условия не совпадают. Поэтому процедура приемки должна определять не только целевые значения и допуски.

• Определите метод тестирования или процедуру заказчика, а также требования к прибору/калибровке.
• Укажите длину купона, подход к удалению или ограничению запуска, а также регион, используемый для отображения значения.
• Сохраняйте купон на панели с той же конструкцией, количеством слоев, медью и системой обозначений, что и структура изделия.
• Укажите, является ли представленное значение средним, медианным, оконным результатом или другой согласованной статистической величиной.
• Определите, как обрабатываются выбросы, некорректные запуски купонов и повторное тестирование.

Корреляция образцов также имеет свои ограничения. Длинный прямой образец не включает в себя каждую контактную площадку, сужение, переходное отверстие, вывод разъема или плоскостное отверстие на изделии. Эти разрывы должны быть включены в модель канала или в специальную тестовую структуру. И наоборот, добавление сложных элементов изделия к образцу импеданса может затруднить отделение технологического импеданса от преднамеренного разрыва.

Для программ с жесткими допусками корреляция должна сравнивать измеренную геометрию образца и данные микросечений с моделью, полученной с помощью полевого решателя. Если импеданс высокий или низкий, перед изменением макета следует учитывать прессованный диэлектрик, ширину верхней/нижней части проводника, толщину меди и конструкцию материала. Корректировка ширины дорожки без выявления физической причины может обеспечить соответствие одной партии требованиям, но при этом ухудшить воспроизводимость.