Контроль імпедансу 10-шарової друкованої плати та перевірка TDR

Контрольований імпеданс досягається шляхом керування структурою лінії передачі, а не шляхом призначення стандартної ширини доріжки протоколу. Одна й та сама ціль 50 Ύ© може вимагати дуже різної геометрії на двох десятишарових платах, оскільки товщина діелектрика, товщина міді, конструкція матеріалу, паяльна маска та сусідня мідь відрізняються. Тому виробниче креслення повинно вказувати ціль та еталонну структуру, тоді як опублікований стек та розрахунок виробника визначають кінцеву ширину та інтервал.

У цьому посібнику пояснюється, що потрібно розраховувати, до чого фактично застосовується допуск на виготовлення та як купон TDR повинен відображати прокладену конструкцію. У ньому навмисно уникається публікації універсальних правил «5 міл дорівнює 50 Ω», оскільки ці числа стають неправильними, як тільки змінюється конструкція.

Контрольований імпеданс – це визначення стекапу та процесу

Характеристичний імпеданс доріжки друкованої плати визначається розподілом електричних та магнітних полів навколо провідника. Домінуючими вхідними факторами є готовий поперечний переріз провідника, відстань до однієї або кількох опорних площин, діелектричні властивості, міжпарна відстань для зв'язаних ліній, паяльна маска на поверхневих структурах та наявність поблизу міді. Шорсткість міді та діелектричні втрати впливають на поширення та виміряну характеристику, особливо зі збільшенням частоти фронту.

Порядок керування імпедансом повинен відповідати на два різні питання. По-перше, яка геометрія, як очікується, відповідатиме цільовому показнику на вибраному стеку? По-друге, як буде перевірятися виробництво? Розрахунок польового вирішувача вирішує перше; репрезентативний купон і процедура TDR вирішують друге. Жоден з них не замінює симуляцію каналу, коли важливі втрати вставки, розриви через канали та роз'єми.

10 -шаровий стек необхідно заморозити перед заморожуванням прокладеної геометрії. Якщо виробник змінює осердя, препрег, мідну фольгу або товщину пресованого матеріалу, розрахунок імпедансу необхідно оновити, а будь-які результуючі зміни в художньому оформленні повинні відповідати узгодженій процедурі затвердження.

Необхідні вхідні дані перед випуском геометрії трасування

Для диференціальних пар виробник повинен отримувати ширину та інтервал як змінні, а не незмінне правило ескізу, коли стек все ще завершується. Опублікований малюнок може дозволити контрольоване коригування ширини в межах зазначених обмежень або може вимагати схвалення замовника перед зміною ескізу.

Односторонній, непарний режим та диференціальний імпеданс

Односторонній імпеданс, такий як 50 Ύ©, описує один провідник відносно його зворотної структури. Диференціальний імпеданс, такий як 85 Ύ© або 100 Ύ©, описує різницю напруги між двома провідниками, що рухаються в протилежних напрямках. Для симетрично зв'язаної пари диференціальний імпеданс приблизно вдвічі перевищує імпеданс непарної моди. Він не обов'язково вдвічі перевищує односторонній імпеданс будь-якої доріжки, коли інша доріжка відсутня.

Сильний зв'язок дозволяє зменшити інтервал між парами та може знизити диференціальний імпеданс, але також робить результат більш чутливим до зміни інтервалу та локального розділення пар. На слабко зв'язані пари більше впливають їхні опорні площини та менше точний зазор, але вони можуть займати більше місця для трасування. Правильний баланс залежить від щільності трасування, перекосу, перехресних перешкод із сусідніми каналами та можливостей виробника щодо травлення.

Синфазний імпеданс та перетворення режимів можуть мати значення навіть тоді, коли число диференціального TDR перевищує допустиме значення. Асиметричний пробій, нерівномірне використання антиконтактних контактів, різні опорні переходи та одностороннє налаштування можуть перетворити диференціальну енергію в синфазну. При високих швидкостях передачі даних 3D-модель переходу є більш інформативною, ніж окреме число купона.

Мікросмужкові, смужкові та копланарні структури

Мікросмужковий зовнішній шар

Мікросмужковий кабель легко зондувати та прокладати, але його поля поширюються як на ламінат, так і на повітряну або паяльну маску. Тому ефективна діелектрична проникність нижча, ніж у об'ємного ламінату Dk. Паяльна маска, обробка поверхні, локальні мідні заливки та контактні площадки компонентів можуть спотворити результат. Зовнішнє покриття також змінює товщину провідника після вибору базової фольги.

Вбудовані мікросмужкові та смужкові лінії

Вбудована мікросмужкова лінія покрита діелектриком з обох боків, але орієнтована переважно до однієї площини. Смужкова лінія розташована між двома площинами. Симетрична смужкова лінія має однакову або майже однакову діелектричну відстань; асиметрична смужкова лінія має домінантну ближчу опорну площину, але все ще взаємодіє з обома площинами. Польовий вирішувач повинен моделювати як межі, так і фактичне положення доріжки після ламінування.

Копланарні хвилеводні структури

Копланарне заземлення може контролювати розсіювання поля та забезпечувати екранування, але зазор до бічної міді стає ще одним критичним виміром. Заземлюючі острови повинні бути з'єднані з опорною площиною за допомогою відповідної схеми переходних отворів, інакше вони можуть поводитися як резонансні провідники. Копланарні структури слід моделювати з використанням фактичної маски та геометрії заземлення, а не додавати їх як загальне правило «заземлення».

Варіація виробництва та реалістичний бюджет допусків

Виробничий імпеданс змінюється, оскільки кілька вимірів рухаються разом. Травлення змінює ширину верхньої та нижньої частин. Ламінування змінює товщину пресованого діелектрика. Вміст смоли та розподіл скла впливають на ефективний Dk. Зовнішнє покриття та паяльна маска додають більше варіацій. Відповідальний аналіз допусків використовує технологічні можливості постачальника для точного конструювання, а не припускає, що кожен вхідний параметр може бути збережений на своєму номінальному значенні.

+/-10% – це загальноприйнятий допуск для закупівель, але він не є універсальним значенням за замовчуванням, встановленим документом IPC. Більш вузькі діапазони можуть бути доцільними для окремих конструкцій та розмірів панелей, тоді як деякі високоомні, дуже тонкі або товстопластові конструкції можуть бути менш придатними для цього. Перш ніж вказувати +/-5% або менше, перевірте доступний запас геометрії, метод відбору зразків, вибірку партії та те, чи вимірюється допуск на купоні чи гарантується в кожному місці трасування.

Збільшення імпедансу без пояснення на рівні каналу може збільшити брак або призвести до розширення геометрії трас/простору, що шкодить щільності трасування. І навпаки, номінальний відхилення +/-10% може бути недостатнім, якщо розриви роз'єму, корпусу та перехідних отворів залишають невеликий запас системи. Допуск має визначатися бюджетом на електроенергію та дослідженням виробничих можливостей.

Дизайн купона та перевірка TDR

IPC-2141 – це посібник з проектування схем з контрольованим імпедансом; це не метод випробування TDR. Вимірювання характеристичного імпедансу за допомогою рефлектометрії в часовій області охоплюється методом IPC-TM-650 2.5.5.7A. У замовленні на придбання має бути зазначено відповідний метод або узгоджену процедуру замовника, а потім визначено деталі купона та приймання, які сам по собі метод не визначає.

Репрезентативний купон

Купон повинен використовувати той самий шар, опорну структуру, обробку міді, діелектричну конструкцію та стан паяльної маски, що й контрольований маршрут. Диференціальні купони повинні відтворювати ширину та інтервал між парами. Коли існує кілька структур, одна траса купона не може представляти їх усі. Розташування купона на виробничій панелі має значення, оскільки покриття та травлення можуть відрізнятися на панелі.

Вікно вимірювання та запуск

Пускову точку, контактні площадки зондів та початковий розрив необхідно відокремити від однорідної ділянки, що використовується для зчитування імпедансу. Час наростання TDR повинен відповідати вимірюваній особливості; надмірно швидкий фронт може підкреслити невеликі розриви, тоді як повільний фронт може їх усереднити. Втрати та дисперсія можуть створювати похилу траєкторію, тому слід узгодити вікно прийняття та метод звітності.

Відбір проб та записи

«На панель», «на партію» та «лише перший виріб» – це комерційний вибір та вибір плану якості, а не автоматичні наслідки значення допуску. Вкажіть кількість та розташування купонів, статус руйнування або збереження, визначення партії, правило повторного тестування та чи потрібні діаграми або зведені результати. Для програм високої надійності збережіть відстеження між купоном, панеллю та відвантаженими платами.

Як вказати імпеданс на виробничому кресленні

Таблиця імпедансу повинна бути достатньо однозначною, щоб інженерні, CAM та інспекційні групи інтерпретували її однаково.

Зберігайте правила маршрутизації протоколів у специфікації макета або проекту, а також вказуйте прийнятний імпеданс на виробничому кресленні. Таке розділення запобігає інтерпретації постачальником «PCIe» як повноцінної електричної вимоги.

Для перевірки макету скористайтеся посібником з 10-шарової траси ; щодо змінних виготовлення та документації див. посібник з виробничого процесу.

Діагностика результату імпедансу, який не досягає цілі

Невдалий купон має ініціювати структуроване розслідування, а не негайну зміну ширини лінії. Переконайтеся, що купон відповідає структурі плати, було використано правильну редакцію стека, вікно запуску TDR та вимірювання є дійсними, а зареєстрований результат не містить надмірних втрат або розриву зонда. Потім порівняйте фактичний поперечний переріз доріжки та товщину діелектрика з моделлю вирішувача.

Низький виміряний імпеданс може бути результатом ширшої доріжки, тоншого діелектрика, вищого ефективного Dk, товстішої міді, ближчого компланарного заземлення або додаткової паяльної маски. Високий імпеданс може бути результатом протилежних умов. Диференціальні результати можуть змінюватися через міжпарну відстань, навіть якщо ширина кожної доріжки правильна. Дані мікрошліфу та перерахована модель корисніші, ніж зміна одного вхідного сигналу шляхом здогадок.

Якщо промах є систематичним, оновіть модель, відкалібровану за процесом, та компенсацію графічного оформлення. Якщо він локалізований положенням панелі, дослідіть однорідність травлення, покриття або ламінування. Будь-яка переробка або утилізація за принципом «використання як є» повинна враховувати запас системи, а не лише відсоток купона.

Надішліть таблицю стекування та імпедансу для розгляду

Частота, втрати та значення номера TDR

Характеристичний імпеданс часто представляється одним числом, але реальний інтерконектор має дисперсійні властивості та втрати. Діелектричні властивості, шорсткість міді та скін-ефект змінюються з частотою, тому видима крива TDR може мати нахил вздовж довгого купона. Коротка однорідна ділянка може мати різні показники при вимірюванні з різною швидкістю фронту або методом деембеддингу. Тому процедура приймання повинна визначати, де і як зчитується значення, а не покладатися лише на знімок екрана.

Купон на прохідний імпеданс не доводить низькі внесені втрати. Дві доріжки можуть вимірювати 50 Ύ©, тоді як одна використовує необроблену мідь та діелектрик з вищими втратами. І навпаки, доріжка з втратами може призвести до того, що дальній кінець сигналу TDR виглядатиме інакше, навіть якщо його фізична геометрія однорідна. Коли втрати каналу мають значення, використовуйте відповідний купон на втрати сигналу або вимірювання S-параметра на додаток до TDR.

Пастки диференціального купона

Диференціальний TDR вимагає збалансованих запусків та однакової електричної довжини з вимірювальною секцією. Асиметрія контактної площадки зонда, нерівномірне розгалуження або отвір в опорній площині можуть призвести до перетворення режимів, яке виглядає як проблема парного імпедансу. Купон повинен містити достатньо рівномірної довжини, щоб відокремити запуск від вікна оцінки, а також має відтворювати фактичну маску та структуру опорної площини. Звітування як про диференціальну, так і, де це корисно, синфазну поведінку може виявити асиметрію, приховану одним середнім значенням.

Кореляція виробництва

Коли вводиться нове стекування, співвідносьте результати TDR з шириною мікрозрізів, товщиною міді та діелектричним інтервалом. Така кореляція створює більш надійну модель процесу для наступних партій. Якщо постачальник змінює конструкцію матеріалу, фольгу або цикл пресування, кореляцію слід переглянути, а не вважати, що попередня компенсація все ще застосовується.

Доцільність жорсткої допуски та авторитетність твору мистецтва

Більш вузьке число не завжди є кращою специфікацією. Досяжний розподіл залежить від ширини доріжок, висоти діелектрика, товщини міді, положення панелі, процесу травлення та того, чи має структура поверхневе покриття. Дуже вузькі доріжки можуть показувати велику відсоткову зміну від невеликої абсолютної варіації травлення; лінії з дуже високим імпедансом можуть вимагати ширини або діелектричних зазорів, що є непрактичними. Виробник повинен розглянути допуск як питання технологічних можливостей, а не просто прийняти його як опцію продажу.

Перед випуском узгодьте, хто контролює графічний дизайн. Один із методів полягає в тому, щоб замовник надав номінальну геометрію та дозволив виробнику компенсувати ширину та парний зазор до випущеного стеку. Інший — заморозити геометрію та вимагати від постачальника точного узгодження конструкції. Поєднання цих двох підходів створює суперечки, коли постачальник коригує ширину лінії, але модель зазору макета, перекісу або перехресних перешкод передбачала вихідну геометрію.

Для нової конструкції розгляньте прогін перевірки придатності першого виробу з купонами на репрезентативних місцях розташування панелей. Використовуйте виміряний розподіл для встановлення реалістичного плану контролю виробництва. Один прохідний купон не може встановити довгострокову придатність, тоді як статистично обґрунтований процес може підтримувати вужчий діапазон без надмірного контролю.

Контрольний список звільнення імпедансу

Вимога до імпедансу вважається повною лише тоді, коли визначено ціль, структуру лінії передачі, виробника та план перевірки. Креслення, на якому зазначено «диференціал 50 Ом» або «100 Ом» без зазначення шару, опорного значення, допуску та маски, залишає постачальнику право робити припущення.

• Визначте кожен клас імпедансу за сигнальним шаром, опорною площиною або площинами, цільовим елементом, допуском та типом структури.
• Надайте номінальну геометрію як задум проєкту та вкажіть, чи може постачальник коригувати ширину або відстань між парами.
• Модель пресованого діелектрика, оброблена трапецієподібна мідь, паяльна маска та мідь поруч.
• Використовуйте дані про матеріали, специфічні для конструкції, або задокументовану модель Dk від виробника.
• Розробіть купони, що відображають фактичну структуру виробництва, та визначте метод TDR, частоту вибірки та зміст звіту.
• Окремо відокремлюйте перевірку імпедансу купона від перевірки внесених втрат каналу, перехідних отворів та роз'ємів.

Жорстка толерантність має бути обґрунтована чутливістю каналу та продемонстрованою продуктивністю процесу. Вона не замінює безперервний зворотний шлях, перехід через товар або модель повних втрат.

Невизначеність вимірювання та кореляція купона з продуктом

На результат TDR впливають купон, запуск, кріплення, смуга пропускання приладу, якість опорної площини, калібрування та метод, який використовується для вибору області зареєстрованого імпедансу. Дві лабораторії можуть по-різному вимірювати один і той самий купон, якщо ці умови не узгоджуються. Тому процедура приймання повинна визначати більше, ніж цільове значення та допуск.

• Визначте метод випробування або процедуру замовника та очікування щодо приладу/калібрування.
• Визначте довжину купона, метод видалення запуску або стробування, а також регіон, який використовується для повідомленого значення.
• Зберігайте купон на тій самій конструкції панелі, шарі, міді та системі відліку, що й структура виробу.
• Запишіть, чи є зазначене значення середнім, медіанним, віконним результатом чи іншою узгодженою статистикою.
• Визначте, як обробляються викиди, запуски пошкоджених купонів та повторне тестування.

Кореляція купонів також має обмеження. Довгий прямий купон не включає кожну контактну площадку, шийку, перехідний отвір, запуск роз'єму або отвір у площині виробу. Ці розриви належать до моделі каналу або спеціальної тестової структури. І навпаки, додавання складних характеристик виробу до купона імпедансу може ускладнити відокремлення імпедансу процесу від навмисного розриву.

Для програм з жорсткими допусками, кореляція повинна порівнювати виміряну геометрію купона та дані мікрошліфа з моделлю польового розв'язувача. Якщо імпеданс високий або низький, перед зміною креслення слід враховувати пресований діелектрик, ширину верхньої/нижньої частини провідника, товщину міді та конструкцію матеріалу. Коригування ширини доріжки без визначення фізичної причини може призвести до провалу однієї партії, одночасно послаблюючи повторюваність.