در زمینه مدارهای با فرکانس بالا و سرعت بالا، ویژگیهای امپدانس PCB مستقیماً یکپارچگی و پایداری انتقال سیگنال را تعیین میکند. عدم تطابق امپدانس می تواند باعث مشکلاتی مانند بازتاب سیگنال، تضعیف، تداخل و در موارد شدید حتی منجر به از کار افتادن کل سیستم مدار شود. بنابراین، فناوری کنترل امپدانس PCB به پیوند اصلی برای اطمینان از عملکرد مدارهای-فرکانس بالا و{5}}بالا تبدیل شده است.
1، درک اولیه کنترل امپدانس PCB
هدف اصلی کنترل امپدانس، حفظ امپدانس مشخصه خطوط انتقال PCB با امپدانس دستگاه های متصل در هر دو انتها است تا از دست دادن انرژی و تداخل سیگنال ها در طول انتقال به حداقل برسد. امپدانس مشخصه یک مقدار مقاومت واحد نیست، بلکه یک امپدانس پیچیده است که توسط مقاومت توزیع شده، ظرفیت خازن توزیع شده و اندوکتانس توزیع شده خط انتقال تعیین می شود. بزرگی آن ارتباط نزدیکی با ساختار فیزیکی، ویژگیهای مواد و فناوری فرآیند PCB دارد.
در سناریوهای-فرکانس بالا و-سرعت بالا (مانند ارتباطات 5G، سرورها، الکترونیک هوافضا و غیره)، طول موج سیگنال کوتاه میشود و تأثیر پارامترهای توزیع خط انتقال روی سیگنال به سرعت تقویت میشود. الزامات دقت کنترل امپدانس بسیار زیاد است، و در برخی از سناریوهای سخت، الزامات دقت حتی سختتر است، که تقاضاهای بسیار بالایی را برای فرآیندهای فنی بعدی ایجاد میکند.
2، عوامل تأثیرگذار اصلی: خواص مواد و پارامترهای ساختاری
(1) انتخاب بستر و پوشش مسی-
زیرلایه و فویل مس حامل مواد اولیه هستند که ویژگی های امپدانس PCB را تعیین می کنند و پارامترهای عملکرد آنها مستقیماً بر دقت کنترل امپدانس تأثیر می گذارد.
ثابت دی الکتریک زیرلایه: ثابت دی الکتریک یکی از پارامترهای کلیدی زیرلایه است و امپدانس مشخصه با جذر ثابت دی الکتریک نسبت معکوس دارد. نوسانات کوچک ثابت دی الکتریک می تواند مستقیماً باعث تغییر امپدانس شود. ثابت دی الکتریک انواع مختلف بسترها به طور قابل توجهی متفاوت است و بسترهای ثابت دی الکتریک پایین معمولاً در سناریوهای-فرکانس بالا و{3}}بالا، که برای انتقال سیگنال کم تلفات مناسب تر هستند، استفاده می شود. در کاربردهای عملی، لازم است بستری با ثابت دی الکتریک پایدار و ضریب دمای پایین با توجه به فرکانس کاری مدار انتخاب شود تا از نوسانات ثابت دی الکتریک ناشی از تغییرات دمای محیطی که ممکن است بر پایداری امپدانس تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.
ضخامت و زبری فویل مس: ضخامت فویل مس مستقیماً بر مقاومت توزیع شده خطوط انتقال تأثیر می گذارد. هر چه ضخامت کمتر باشد، مقاومت توزیع شده بیشتر است و تاثیر آن بر امپدانس بیشتر است. بردهای مدار چاپی با فرکانس بالا و{2}}سرعت بالا معمولاً از فویل مسی نازک برای کاهش از دست دادن سیگنال ناشی از اثر پوستی استفاده میکنند. در همین حال، زبری سطح فویل مسی نیز می تواند بر انتقال سیگنال تأثیر بگذارد. هر چه زبری بزرگتر باشد، از دست دادن پراکندگی سیگنال در حین انتقال، به ویژه در سناریوهای فرکانس بالا، شدیدتر است. تاثیر زبری سطح بر امپدانس را نمی توان نادیده گرفت. بنابراین، برای اطمینان از پایداری امپدانس، لازم است فویل مسی الکترولیتی یا فویل مسی نورد شده با زبری سطح پایین انتخاب شود.
(2) کنترل دقیق پارامترهای ساختاری خط انتقال
پارامترهای ساختاری فیزیکی خطوط انتقال، هسته تعیین کننده امپدانس مشخصه، عمدتاً شامل عرض خط، فاصله خطوط و ضخامت دی الکتریک (فاصله بین خط انتقال و صفحه مرجع) است. ساختارهای مختلف خطوط انتقال (مانند خطوط میکرواستریپ، خطوط نواری و خطوط دیفرانسیل) نیاز به کنترل دقیق برای پارامترهای مختلف دارند.
خط میکرواستریپ: خط میکرواستریپ یک ساختار خط انتقال رایج بر روی سطح PCB است که از خطوط سیگنال، بستر (لایه دی الکتریک) و یک صفحه مرجع (لایه زمین یا قدرت) در زیر تشکیل شده است. امپدانس مشخصه آن عمدتاً به عرض خط، ضخامت دی الکتریک و ثابت دی الکتریک زیرلایه مربوط می شود. در فرآیند تولید، دقت کنترل عرض خط و ضخامت دی الکتریک بسیار بالا است، در غیر این صورت به راحتی می توان باعث تغییر امپدانس و فراتر از دقت مورد نیاز شود.
خط روبان: خط روبان در داخل pcb قرار دارد و توسط دو صفحه مرجع پیچیده شده است. خط سیگنال توسط یک لایه دی الکتریک احاطه شده است و امپدانس مشخصه آن نه تنها به عرض خط و ثابت دی الکتریک زیرلایه مربوط می شود، بلکه به فاصله بین صفحات مرجع بالا و پایین و فاصله بین خط سیگنال و صفحات مرجع بالا و پایین مربوط می شود. به دلیل پیچیده شدن کامل خط نوار توسط لایه دی الکتریک، سیگنال کمتر تحت تأثیر تداخل خارجی قرار می گیرد، اما دشواری کنترل ضخامت لایه دی الکتریک در طول فرآیند ساخت بیشتر است. لازم است از یکنواختی ضخامت لایه دی الکتریک پس از لمینیت اطمینان حاصل شود تا از جبران امپدانس ناشی از ضخامت ناهموار جلوگیری شود.
خط دیفرانسیل: یک خط دیفرانسیل از دو خط سیگنال موازی تشکیل شده است که تداخل حالت مشترک را از طریق انتقال سیگنال دیفرانسیل کاهش می دهد. کنترل امپدانس آن شامل امپدانس مشخصه (امپدانس تک سر) و امپدانس دیفرانسیل (امپدانس بین دو خط سیگنال) است. امپدانس دیفرانسیل معمولاً یک رابطه متناسب ثابت با امپدانس منفرد دارد که عمدتاً مربوط به عرض خط، فاصله خطوط و ضخامت دی الکتریک است. دقت کنترل فاصله خطوط به شدت مورد نیاز است. اگر انحراف فاصله خطوط بیش از حد زیاد باشد، باعث انحراف امپدانس دیفرانسیل از مقدار تنظیم شده می شود و بر یکپارچگی سیگنال دیفرانسیل تأثیر می گذارد.
3، فناوری کنترل کلید: بهینه سازی فرآیند
فرآیند تولید PCB یک مرحله کلیدی در تبدیل پارامترها به محصولات واقعی است، از برش بستر، لمینیت، انتقال گرافیکی تا اچینگ، پوشش ماسک لحیم کاری. هر مرحله از فرآیند ممکن است بر دقت امپدانس تأثیر بگذارد و برای اطمینان از پایداری امپدانس نیاز به کنترل دقیق دارد.
(1) کنترل دقیق فرآیند لمینیت
فرآیند لمینیت فرآیند لمینیت چند لایه زیرلایه و فویل مسی به یک لایه است که مستقیماً یکنواختی و پایداری ضخامت دی الکتریک را تعیین می کند و یکی از فرآیندهای اصلی برای کنترل امپدانس است.
کنترل مشارکتی فشار و دما: منحنی های فشار و دما معقول (نرخ گرمایش، دمای عایق، زمان عایق کاری) باید با توجه به ویژگی های زیرلایه در حین لمینیت تنظیم شوند. اگر فشار ناکافی باشد، ممکن است شکاف هایی بین زیرلایه و ورق مسی وجود داشته باشد که منجر به ضخامت ناهموار محیط می شود. اگر دما بیش از حد بالا باشد یا زمان عایق کاری بیش از حد طولانی باشد، بستر ممکن است بیش از حد تحت عمل آوری قرار گیرد و در نتیجه ثابت دی الکتریک تغییر کند و امپدانس را تحت تاثیر قرار دهد. برای اطمینان از اینکه انحرافات دما و فشار در یک محدوده معقول کنترل می شوند، نظارت زمان واقعی مورد نیاز است.
کنترل تراز لایهگذاری: هنگام لمینت کردن بردهای مدار چاپی چند لایه، تراز خط انتقال هر لایه با صفحه مرجع مستقیماً بر ثبات ضخامت متوسط تأثیر میگذارد. اگر انحراف تراز خیلی زیاد باشد، باعث می شود ضخامت دی الکتریک در برخی مناطق نازک تر یا ضخیم تر شود و منجر به جبران امپدانس موضعی شود. بنابراین، برای اطمینان از اینکه انحراف هم ترازی لایه لایه در محدوده معقولی کنترل میشود، باید از تجهیزات موقعیتیابی با دقت بالا- استفاده شود. در عین حال، پس از لمینیت، هم ترازی بین لایه ها باید توسط تجهیزات تست حرفه ای بررسی شود تا محصولات نامرغوب به سرعت حذف شوند.
(2) اصلاح فرآیندهای انتقال گرافیکی و اچینگ
انتقال گرافیکی فرآیند انتقال گرافیک خط انتقال تنظیم شده بر روی فویل مسی است، در حالی که اچ کردن فویل مس اضافی را برای تشکیل خط انتقال نهایی حذف می کند. این دو فرآیند مستقیماً دقت عرض خط را تعیین می کنند که به نوبه خود بر امپدانس تأثیر می گذارد.
کنترل دقیق انتقال گرافیکی: انتقال گرافیک معمولاً از فرآیند فوتولیتوگرافی شامل سه مرحله پوشش، نوردهی و توسعه استفاده می کند. هنگام اعمال نور مقاوم، لازم است اطمینان حاصل شود که ضخامت نور مقاوم است تا از محو شدن لبه های الگو پس از نوردهی به دلیل ضخامت ناهموار نور مقاوم جلوگیری شود. در طول نوردهی، کنترل انرژی نوردهی و دقت نوردهی ضروری است. برای اطمینان از اینکه انحراف بین عرض خط گرافیکی و مقدار تنظیم شده در یک محدوده معقول کنترل می شود، باید از یک دستگاه نوردهی با دقت بالا- استفاده شود. در طول توسعه، کنترل زمان و دمای توسعه برای جلوگیری از توسعه ناکافی یا بیش از حد ضروری است.
بهینه سازی پارامترهای فرآیند اچینگ: فرآیند اچینگ مستلزم تنظیم غلظت محلول اچینگ، دمای اچینگ و سرعت اچینگ با توجه به ضخامت فویل مسی است. سرعت اچ بیش از حد می تواند منجر به کاهش بیش از حد در عرض خط شود، در حالی که سرعت اچ پایین ممکن است منجر به اچ ناقص شود و فویل مس باقیمانده بر امپدانس تأثیر بگذارد. در عین حال، باید از تجهیزات اسپری اچینگ استفاده شود تا اطمینان حاصل شود که محلول اچ به طور یکنواخت روی سطح فویل مسی پاشیده می شود و از اچ ناهموار و انحراف عرض خط در مناطق خاص جلوگیری می شود. پس از اچ کردن، دقت عرض خط باید توسط تجهیزات تشخیص نوری بررسی شود و محصولاتی که بیش از انحراف هستند باید به موقع دوباره کار یا حذف شوند.
(3) کنترل تأثیر پوشش ماسک لحیم کاری و درمان سطح
اگرچه پوشش ماسک لحیم کاری (روغن سبز) و عملیات سطحی (مانند طلای غوطه وری، آبکاری قلع) مستقیماً امپدانس را تعیین نمی کند، درمان نادرست ممکن است همچنان بر پایداری امپدانس تأثیر بگذارد.
کنترل ضخامت لایه ماسک لحیم کاری: لایه ماسک لحیم کاری سطح خط انتقال را می پوشاند و ثابت دی الکتریک و ضخامت آن تأثیر جزئی بر امپدانس خط میکرواستریپ خواهد داشت (خطوط نوار به دلیل پیچیده شدن توسط لایه دی الکتریک کمتر تحت تأثیر لایه ماسک لحیم کاری قرار می گیرند). اگر ضخامت لایه ماسک لحیم کاری ناهموار باشد، منجر به محیط دی الکتریک ناسازگار در اطراف خط میکرواستریپ می شود و در نتیجه باعث نوسانات امپدانس موضعی می شود. بنابراین، در هنگام پوشش ماسک لحیم کاری، کنترل ضخامت پوشش، حفظ انحراف در محدوده معقول و اجتناب از پوشش لایه ماسک لحیم کاری مناطق کلیدی خط انتقال ضروری است.
سازگاری عملیات سطحی: هدف از عملیات سطحی جلوگیری از اکسیداسیون فویل مس و اطمینان از قابلیت اطمینان جوش است، اما ضخامت و یکنواختی لایه تصفیه می تواند بر مقاومت خط انتقال نیز تأثیر بگذارد. اگر ضخامت لایه پردازش ناهموار باشد، نوساناتی در مقاومت سطح خط انتقال ایجاد می کند و در نتیجه بر امپدانس تأثیر می گذارد. بنابراین، کنترل پارامترهای فرآیند تصفیه سطح ضروری است تا اطمینان حاصل شود که انحراف ضخامت لایه تصفیه در یک محدوده معقول کنترل می شود، در حالی که از طریق بازرسی بصری و آزمایش ضخامت اطمینان حاصل می شود.
4، تشخیص و تأیید: از دقت کنترل امپدانس اطمینان حاصل کنید
تشخیص و تأیید امپدانس آخرین خط دفاعی برای کنترل امپدانس PCB است. با استفاده از تجهیزات و روشهای حرفهای برای تشخیص مقادیر امپدانس محصولات واقعی، اطمینان حاصل میکنیم که آنها الزامات را برآورده میکنند و پشتیبانی دادهها را برای بهینهسازی فرآیند ارائه میدهند.
(1) تجهیزات و روش های تشخیص امپدانس
در حال حاضر، تجهیزات اصلی تشخیص امپدانس PCB، تستر امپدانس است و روشهای تشخیص عمدتاً شامل بازتابسنجی حوزه زمان (TDR) و روش حوزه فرکانس است.
بازتاب سنجی حوزه زمانی: TDR امپدانس مشخصه را بر اساس انعکاس یک سیگنال پالس با افزایش سریع ارسال شده به خط انتقال محاسبه می کند. این روش می تواند تغییرات امپدانس را در نقاط مختلف خط انتقال (مانند مکان و دامنه جهش های امپدانس) به صورت بصری نمایش دهد و برای تشخیص ناهنجاری های موضعی در امپدانس (مانند انحراف عرض خط و ضخامت ناهموار دی الکتریک) مناسب است. در طول آزمایش، برای اطمینان از تماس خوب، باید پروب آزمایش را بهطور دقیق به نقاط آزمایش روی PCB وصل کرد و فرکانس آزمایش باید محدوده کاری مدارهای-فرکانس بالا و{3}}سرعت بالا را پوشش دهد.
روش حوزه فرکانس: روش حوزه فرکانس امپدانس مشخصه را با اندازه گیری پارامترهای پراکندگی خط انتقال در فرکانس های مختلف محاسبه می کند. این روش می تواند تغییرات امپدانس با فرکانس را تجزیه و تحلیل کند و برای ارزیابی پایداری امپدانس بردهای مدار چاپی در کل محدوده فرکانس کاری مناسب است.
(2) تجزیه و تحلیل داده های تشخیص و بهینه سازی فرآیند
تشخیص امپدانس نقطه پایانی نیست، بلکه کشف مشکلات در فرآیند از طریق تجزیه و تحلیل داده ها و بهینه سازی پارامترهای فرآیند است. به عنوان مثال، اگر امپدانس خط میکرواستریپ دسته ای از بردهای مدار چاپی به طور کلی کم باشد، باید بررسی شود که آیا مشکلاتی مانند عرض خط خیلی زیاد، ضخامت دی الکتریک خیلی کم، یا ثابت دی الکتریک خیلی زیاد زیرلایه وجود دارد یا خیر. پس از یافتن علت اصلی مشکل، پارامترهای فرآیند مربوطه را تنظیم کنید. در عین حال، ایجاد یک پایگاه داده تشخیص امپدانس برای ثبت داده های تشخیص هر دسته از بردهای مدار چاپی، خلاصه کردن همبستگی بین پارامترهای فرآیند و امپدانس از طریق تجزیه و تحلیل آماری و تشکیل یک برنامه کنترل فرآیند استاندارد برای بهبود مستمر دقت کنترل امپدانس ضروری است.