10 Katmanlı PCB Empedans Kontrolü ve TDR Doğrulaması

Kontrollü empedans, bir protokole standart bir iz genişliği atanmasıyla değil, bir iletim hattı yapısının kontrol edilmesiyle elde edilir. Aynı 50 Ω hedef, dielektrik kalınlığı, bakır kalınlığı, malzeme yapısı, lehim maskesi ve komşu bakır farklı olduğu için iki on katmanlı kartta çok farklı geometri gerektirebilir. Bu nedenle, bir üretim çizimi hedef ve referans yapıyı belirtmeli, serbest bırakılan katman düzeni ve üretici hesaplaması ise nihai genişliği ve aralığı belirlemelidir.

Bu kılavuz, nelerin hesaplanması gerektiğini, imalat toleransının gerçekte neye uygulandığını ve bir TDR kuponunun işlenmiş yapıyı nasıl temsil etmesi gerektiğini açıklamaktadır. "5 mil eşittir 50 µ" gibi evrensel kuralları yayınlamaktan özellikle kaçınmaktadır, çünkü bu sayılar yapı değiştiği anda yanlış hale gelir.

Kontrollü Empedans, Bir Katmanlama ve Süreç Tanımıdır.

PCB izinin karakteristik empedansı, iletkenin etrafındaki elektrik ve manyetik alanların dağılımı tarafından belirlenir. Baskın girdiler, iletkenin kesit alanı, bir veya daha fazla referans düzlemine olan mesafe, dielektrik özellikleri, birleştirilmiş hatlar için çift aralığı, yüzey yapılarındaki lehim maskesi ve yakındaki bakırın varlığıdır. Bakır pürüzlülüğü ve dielektrik kayıp, özellikle kenar hızı arttıkça, yayılımı ve ölçülen tepkiyi etkiler.

Kontrollü empedanslı bir düzenek iki farklı soruyu yanıtlamalıdır. Birincisi, seçilen katman yapısında hangi geometrinin hedefi karşılaması bekleniyor? İkincisi, üretim nasıl doğrulanacak? Alan çözücü hesaplaması birinci soruyu ele alır; temsili bir numune ve TDR prosedürü ikinci soruyu ele alır. Bunların hiçbiri, ekleme kaybı, geçiş süreksizlikleri ve bağlantı elemanları önemli olduğunda kanal simülasyonunun yerini alamaz.

MKS 10 katmanlı yapı Yönlendirilmiş geometri dondurulmadan önce dondurulmalıdır. Üretici bir çekirdek, prepreg, bakır folyo veya preslenmiş kalınlığı değiştirirse, empedans hesaplaması güncellenmeli ve ortaya çıkan herhangi bir tasarım değişikliği, üzerinde anlaşmaya varılan onay sürecini izlemelidir.

İzleme Geometrisinin Yayınlanabilmesi İçin Gerekli Girişler

Diferansiyel çiftler için, imalatçı, katman düzeni henüz kesinleşmemişken, genişlik ve aralığı sabit bir çizim kuralı yerine değişkenler olarak almalıdır. Yayınlanan çizim, belirtilen sınırlar dahilinde kontrollü genişlik ayarlamasına izin verebilir veya çizim değişikliklerinden önce müşteri onayını gerektirebilir.

Tek Uçlu, Tek Modlu ve Diferansiyel Empedans

50 Ω gibi tek uçlu bir hedef, bir iletkeni dönüş yapısına göre tanımlar. 85 Ω veya 100 Ω gibi diferansiyel bir hedef ise zıt yönlerde sürülen iki iletken arasındaki voltaj farkını tanımlar. Simetrik olarak bağlanmış bir çift için diferansiyel empedans, tek modlu empedansın yaklaşık iki katıdır. Diğer iz yokken, bu empedans her iki izden birinin tek uçlu empedansının iki katı olmak zorunda değildir.

Güçlü bağlantı, daha dar bir çift aralığına izin verir ve diferansiyel empedansı düşürebilir, ancak aynı zamanda sonucu aralık varyasyonuna ve yerel çift ayrımına karşı daha hassas hale getirir. Zayıf bağlantılı çiftler, referans düzlemlerinden daha çok etkilenir ve tam aralıktan daha az etkilenir, ancak daha fazla yönlendirme genişliği tüketebilir. Doğru denge, yönlendirme yoğunluğuna, eğime, komşu kanallara çapraz etkileşime ve üreticinin aşındırma yeteneğine bağlıdır.

Diferansiyel TDR değeri geçerli olsa bile, ortak mod empedansı ve mod dönüşümü önemli olabilir. Asimetrik çıkış, eşit olmayan via antipad'leri, farklı referans geçişleri ve tek taraflı ayarlama, diferansiyel enerjiyi ortak moda dönüştürebilir. Yüksek veri hızlarında, 3 boyutlu bir geçiş modeli, tek bir kupon değerinden daha bilgilendiricidir.

Mikroşerit, Şerit Hat ve Eş Düzlemsel Yapılar

Dış katman mikroşerit

Mikroşerit kabloların incelenmesi ve yönlendirilmesi kolaydır, ancak alanları hem laminat hem de hava veya lehim maskesine kadar uzanır. Bu nedenle etkin dielektrik sabiti, ana laminatın Dk değerinden daha düşüktür. Lehim maskesi, yüzey işlemi, yerel bakır dolguları ve bileşen pedleri sonucu etkileyebilir. Ayrıca, taban folyosu seçildikten sonra dış katman kaplaması iletken kalınlığını da değiştirir.

Gömülü mikroşerit ve şerit hat

Gömülü mikroşerit, her iki tarafında dielektrik malzeme ile kaplıdır ancak esas olarak tek bir düzleme referanslıdır. Şerit hattı iki düzlem arasında yer alır. Simetrik şerit hattında dielektrik aralıkları eşit veya neredeyse eşittir; asimetrik şerit hattında daha yakın bir referans noktası baskındır ancak yine de her iki düzlemle de etkileşim halindedir. Bir alan çözücüsü, hem sınırları hem de laminasyondan sonraki gerçek iz konumunu modellemelidir.

Eş düzlemli dalga kılavuzu yapıları

Eş düzlemli toprak, alan yayılımını kontrol edebilir ve koruma sağlayabilir, ancak yan bakır ile olan boşluk başka bir kritik boyut haline gelir. Toprak adaları, uygun bir geçiş deseniyle referans düzlemine bağlanmalıdır, aksi takdirde rezonans iletkenleri gibi davranabilirler. Eş düzlemli yapılar, genel bir "toprak dökme" kuralı olarak eklenmek yerine, gerçek maske ve toprak geometrisiyle modellenmelidir.

Üretim Varyasyonu ve Gerçekçi Bir Tolerans Bütçesi

Üretim empedansı, çeşitli boyutların birlikte hareket etmesi nedeniyle değişir. Aşındırma, üst ve alt genişliği değiştirir. Laminasyon, preslenmiş dielektrik kalınlığını değiştirir. Reçine içeriği ve cam dağılımı, etkin Dk'yı etkiler. Dış katman kaplaması ve lehim maskesi daha fazla varyasyon ekler. Sorumlu bir tolerans analizi, her girdinin nominal değerinde tutulabileceğini varsaymak yerine, tedarikçinin tam yapı için proses yeteneğini kullanır.

+/- %10 yaygın bir tedarik toleransıdır, ancak bir IPC belgesi tarafından dayatılan evrensel bir varsayılan değer değildir. Seçilen yapılarda ve panel boyutlarında daha dar bantlar mümkün olabilirken, bazı yüksek empedanslı, çok ince veya yoğun kaplamalı yapılar daha az uygun olabilir. +/- %5 veya daha dar bir değer belirtmeden önce, mevcut geometri marjını, numune yöntemini, parti örneklemesini ve toleransın numune üzerinde mi ölçüldüğünü yoksa her bir işlenmiş noktada mı garanti edildiğini doğrulayın.

Kanal düzeyinde bir neden olmaksızın empedansı sıkılaştırmak, hurda miktarını artırabilir veya yönlendirme yoğunluğunu olumsuz etkileyen daha geniş bir iz/boşluk geometrisine yol açabilir. Tersine, konektör, paket ve geçiş süreksizliklerinin sistemde az bir tolerans bıraktığı durumlarda, nominal +/- %10'luk bir numune yetersiz olabilir. Tolerans, elektrik bütçesinden ve üretim kapasitesi çalışmasından kaynaklanmalıdır.

Kupon Tasarımı ve TDR Doğrulama

IPC-2141, kontrollü empedans devreleri için bir tasarım kılavuzudur; TDR test yöntemi değildir. Zaman alanlı reflektometri ile karakteristik empedans ölçümü, IPC-TM-650 Yöntem 2.5.5.7A kapsamındadır. Bir satın alma siparişinde, geçerli yöntem veya müşteri tarafından kabul edilen bir prosedür belirtilmeli ve ardından yöntemin tek başına belirlemediği kupon ve kabul detayları tanımlanmalıdır.

Temsili bir kupon

Kupon, kontrollü rota ile aynı katmanı, referans yapıyı, bakır işleme yöntemini, dielektrik yapıyı ve lehim maskesi koşulunu kullanmalıdır. Diferansiyel kuponlar, çift genişliğini ve aralığını yeniden üretmelidir. Birden fazla yapı mevcut olduğunda, tek bir kupon izi bunların hepsini temsil edemez. Üretim panelindeki kupon konumu önemlidir çünkü kaplama ve aşındırma panel boyunca değişebilir.

Ölçüm penceresi ve başlatma

Başlangıç ​​noktası, prob pedleri ve ilk süreksizlik, empedans okuması için kullanılan düzgün bölümden ayrılmalıdır. TDR yükselme süresi, ölçülen özellik için uygun olmalıdır; aşırı hızlı bir kenar küçük süreksizlikleri vurgulayabilirken, yavaş bir kenar bunları ortalamaya alabilir. Kayıp ve dağılım eğimli bir iz oluşturabilir, bu nedenle kabul aralığı ve raporlama yöntemi üzerinde anlaşmaya varılmalıdır.

Örnekleme ve kayıtlar

“Panel başına”, “parti başına” ve “yalnızca ilk ürün” ifadeleri, tolerans değerinin otomatik sonuçları değil, ticari ve kalite planı tercihleridir. Numune sayısını ve yerini, imha veya muhafaza durumunu, parti tanımını, yeniden test kuralını ve grafiklerin veya özet sonuçların gerekli olup olmadığını belirtin. Yüksek güvenilirlik programları için, numune, panel ve sevk edilen devre kartları arasında izlenebilirliği koruyun.

İmalat Çiziminde Empedans Nasıl Belirtilir?

Empedans tablosu, mühendislik, CAM ve denetim ekiplerinin aynı şekilde yorumlayabileceği kadar açık ve net olmalıdır.

Protokol yönlendirme kurallarını yerleşim planı veya tasarım spesifikasyonunda, empedans kabulünü ise imalat çiziminde tutun. Bu ayrım, bir tedarikçinin "PCIe"yi eksiksiz bir elektrik gereksinimi olarak yorumlamasını önler.

Sanat eserlerinin incelenmesi için şunu kullanın: 10 katmanlı yönlendirme kılavuzuÜretim değişkenleri ve dokümantasyon için bakınız. üretim süreci kılavuzu.

Hedefe Ulaşamayan Bir Empedans Sonucunun Teşhisi

Başarısız bir numune, hemen hat genişliği değişikliği yerine yapılandırılmış bir incelemeyi tetiklemelidir. Numunenin kart yapısıyla eşleştiğini, doğru katman diziliminin kullanıldığını, TDR başlatma ve ölçüm penceresinin geçerli olduğunu ve bildirilen sonucun aşırı kayıp veya prob süreksizliğinden kaynaklanmadığını doğrulayın. Ardından, gerçek iz kesitini ve dielektrik kalınlığını çözümleyici modelle karşılaştırın.

Düşük ölçülen empedans, daha geniş bir iz, daha ince bir dielektrik, daha yüksek etkili Dk, daha kalın bakır, daha yakın eş düzlemli topraklama veya ek lehim maskesinden kaynaklanabilir. Yüksek empedans ise bunun tam tersi koşullardan kaynaklanabilir. Her bir iz genişliği doğru olsa bile, çift aralığı nedeniyle diferansiyel sonuçlar değişebilir. Mikroskop kesit verileri ve yeniden hesaplanan bir model, tahmin yoluyla tek bir girdiyi değiştirmekten daha faydalıdır.

Hata sistematik ise, proses kalibrasyonlu modeli ve grafik telafisini güncelleyin. Hata panel konumuna özgü ise, aşındırma, kaplama veya laminasyon homojenliğini inceleyin. Herhangi bir yeniden işleme veya olduğu gibi kullanma kararı, yalnızca kupon yüzdesini değil, sistem hata payını da dikkate almalıdır.

İnceleme için Katman Yapısı ve Empedans Tablosu Gönderin

TDR Numarasının Sıklığı, Kaybı ve Anlamı

Karakteristik empedans genellikle tek bir sayı olarak sunulur, ancak gerçek bir ara bağlantı dağılımlı ve kayıplıdır. Dielektrik özellikler, bakır pürüzlülüğü ve yüzey etkisi frekansla değişir, bu nedenle görünür TDR izi uzun bir numune boyunca eğimli olabilir. Kısa, düzgün bir bölüm, farklı bir kenar hızı veya de-embedding yöntemiyle ölçüldüğünde farklı okunabilir. Bu nedenle, kabul prosedürü, yalnızca bir ekran görüntüsüne güvenmek yerine, değerin nerede ve nasıl okunacağını tanımlamalıdır.

Geçer bir empedans numunesi, düşük ekleme kaybını kanıtlamaz. İki iz de 50 Ω ölçebilirken, birinde pürüzlü bakır ve daha yüksek kayıplı bir dielektrik kullanılabilir. Tersine, kayıplı bir iz, fiziksel geometrisi homojen olsa bile, TDR dalga formunun uzak ucunun farklı görünmesine neden olabilir. Kanal kaybı önemli olduğunda, TDR'ye ek olarak uygun bir sinyal kaybı numunesi veya S-parametresi ölçümü kullanın.

Farklılaştırılmış kupon tuzakları

Diferansiyel TDR, dengeli çıkışlar ve ölçüm bölümüne eşit elektriksel uzunluk gerektirir. Prob pedi asimetrisi, eşit olmayan fanout veya referans düzleminde bir açıklık, çift empedans problemi gibi görünen mod dönüşümüne neden olabilir. Numune, çıkışı değerlendirme penceresinden ayırmak için yeterli homojen uzunluğa sahip olmalı ve gerçek maskeyi ve referans yapısını yeniden üretmelidir. Hem diferansiyel hem de, yararlı olduğu durumlarda, ortak mod davranışının raporlanması, tek bir ortalama değer tarafından gizlenen bir asimetriyi ortaya çıkarabilir.

Üretim korelasyonu

Yeni bir katman yapısı tanıtıldığında, TDR sonuçlarını mikro kesitli iz genişliği, bakır kalınlığı ve dielektrik aralığı ile ilişkilendirin. Bu ilişki, sonraki partiler için daha güvenilir bir işlem modeli oluşturur. Tedarikçi malzeme yapısını, folyoyu veya presleme döngüsünü değiştirirse, önceki telafinin hala geçerli olduğunu varsaymak yerine, ilişki gözden geçirilmelidir.

Sıkı Toleranslı Uygulanabilirlik ve Sanat Eseri Otoritesi

Daha dar bir sayı her zaman daha iyi bir özellik anlamına gelmez. Elde edilebilecek dağılım, iz genişliğine, dielektrik yüksekliğine, bakır kalınlığına, panel konumuna, aşındırma işlemine ve yapının yüzey kaplamalı olup olmadığına bağlıdır. Çok dar izler, küçük bir mutlak aşındırma varyasyonundan büyük bir yüzdesel değişim gösterebilir; çok yüksek empedanslı hatlar, pratik olmayan genişlikler veya dielektrik boşluklar gerektirebilir. Üretici, toleransı yalnızca bir satış seçeneği olarak kabul etmek yerine, bir işlem yeteneği sorunu olarak değerlendirmelidir.

Yayınlanmadan önce, çizimin kontrolünün kimde olacağı konusunda anlaşın. Bir yöntem, müşterinin nominal geometriyi sağlaması ve imalatçının genişlik ve çift boşluğunu yayınlanan katman düzenine göre telafi etmesine izin vermesidir. Diğer bir yöntem ise geometriyi dondurmak ve tedarikçinin yapıyı tam olarak eşleştirmesini istemektir. İki yaklaşımın karıştırılması, bir tedarikçi hat genişliğini ayarladığında ancak yerleşim boşluğu, eğim veya çapraz konuşma modeli orijinal geometriyi varsaydığında anlaşmazlıklara yol açar.

Yeni bir yapı için, temsili panel lokasyonlarında kuponlarla ilk örnek kapasite testi yapmayı düşünün. Ölçülen dağılımı kullanarak gerçekçi bir üretim kontrol planı oluşturun. Tek bir başarılı kupon uzun vadeli kapasiteyi sağlayamazken, istatistiksel olarak gerekçelendirilmiş bir süreç, aşırı denetim olmadan daha dar bir aralığı destekleyebilir.

Empedans Serbest Bırakma Kontrol Listesi

Empedans gereksinimi, ancak hedef, iletim hattı yapısı, üretim yetkilisi ve doğrulama planı tanımlandığında tamamlanmış sayılır. Katman, referans, tolerans ve maske koşulu belirtilmeden "50 Ω" veya "100 Ω diferansiyel" yazan bir çizim, tedarikçinin varsayımlarda bulunmasına yol açar.

• Her empedans sınıfını sinyal katmanına, referans düzlemine veya düzlemlerine, hedefe, toleransa ve yapı tipine göre tanımlayın.
• Tasarım amacını nominal geometri olarak belirtin ve tedarikçinin genişliği veya çift aralığını ayarlayıp ayarlayamayacağını açıklayın.
• Preslenmiş dielektrik model, yamuk şeklinde bakır kaplama, lehim maskesi ve yakındaki bakır.
• Yapı türüne özgü malzeme verilerini veya belgelenmiş bir üretici tasarım-Dk modelini kullanın.
• Gerçek üretim yapısını yansıtan ve TDR yöntemini, örnekleme sıklığını ve rapor içeriğini tanımlayan kuponlar tasarlayın.
• Kupon empedans doğrulamasını kanal ekleme kaybı, via ve konektör uyumluluğundan ayrı tutun.

Sıkı tolerans, kanal hassasiyeti ve kanıtlanmış proses yeteneği ile gerekçelendirilmelidir. Sürekli geri dönüş yolu, iyi bir geçiş noktası veya tam kayıp modelinin yerini tutmaz.

Ölçüm Belirsizliği ve Kupon-Ürün Korelasyonu

TDR sonucu, numune, başlatma, fikstür, cihaz bant genişliği, referans düzlemi kalitesi, kalibrasyon ve raporlanan empedans bölgesini seçmek için kullanılan yöntemden etkilenir. Bu koşullar uyumlu değilse, iki laboratuvar aynı numuneyi farklı şekilde ölçebilir. Bu nedenle, kabul prosedürü hedef ve toleranstan daha fazlasını tanımlamalıdır.

• Test yöntemini veya müşteri prosedürünü ve cihaz/kalibrasyon beklentilerini belirleyin.
• Kupon süresini, lansman kaldırma veya engelleme yaklaşımını ve bildirilen değer için kullanılan bölgeyi tanımlayın.
• Kuponu, ürün yapısıyla aynı panel yapısı, katman, bakır ve referans sistemine göre saklayın.
• Bildirilen değerin ortalama, medyan, pencereleme yöntemiyle elde edilen sonuç veya üzerinde mutabık kalınan başka bir istatistik olup olmadığını kaydedin.
• Aykırı değerlerin, hasarlı kupon lansmanlarının ve yeniden testlerin nasıl ele alınacağını tanımlayın.

Kupon korelasyonunun da sınırları vardır. Uzun ve düz bir kupon, üründeki her ped, daralma noktası, geçiş noktası, konektör çıkışı veya düzlem açıklığını içermez. Bu süreksizlikler kanal modeline veya özel bir test yapısına aittir. Tersine, empedans kuponuna karmaşık ürün özellikleri eklemek, işlem empedansını kasıtlı bir süreksizlikten ayırmayı zorlaştırabilir.

Sıkı tolerans gerektiren programlar için, korelasyon, ölçülen numune geometrisi ve mikro kesit verilerini alan çözücü modeliyle karşılaştırmalıdır. Empedans yüksek veya düşükse, çizim değiştirilmeden önce preslenmiş dielektrik, iletken üst/alt genişliği, bakır kalınlığı ve malzeme yapısı dikkate alınmalıdır. Fiziksel nedeni belirlemeden iz genişliğini ayarlamak, bir partinin başarılı olmasını sağlarken tekrarlanabilirliği zayıflatabilir.