Com a portador clau dels sistemes electrònics, el rendiment de les plaques de circuit imprès afecta directament l'estabilitat i la fiabilitat de tot el sistema. El control d'impedància de plaques de circuits impresos és la tecnologia bàsica que garanteix la integritat dels senyals de circuits electrònics d'alta-velocitat i alta-freqüència.
1, Què és la impedància de les plaques de circuit imprès
La impedància és un reflex complet de l'efecte de bloqueig de corrent d'un circuit. En el món microscòpic de les línies de transmissió de plaques de circuit imprès, es compon de resistències distribuïdes, condensadors i inductors. Quan un senyal accelera a una línia de transmissió, si la impedància de la línia de transmissió no coincideix amb la impedància de la font i la càrrega del senyal, és com un estrenyiment sobtat de la carretera o l'aparició d'obstacles. El senyal es reflectirà, i la forma d'ona del senyal originalment normal mostrarà fenòmens de distorsió com ara sobrepassament, subexplosió i timbre. Al mateix temps, la força del senyal continuarà disminuint durant la transmissió, dificultant que l'extrem receptor reconegui amb precisió el senyal, afectant finalment el funcionament normal de tot el sistema de circuits. Per exemple, als circuits d'interfície USB 3.0 per a la transmissió de dades d'alta-velocitat, si el control d'impedància de les plaques de circuits impresos és incorrecte, es poden produir errors de transmissió de dades i, fins i tot, les dades no es poden transmetre amb normalitat.
2, Anàlisi en profunditat dels factors clau que afecten la impedància de les plaques de circuit imprès
La influència dels paràmetres geomètrics de les línies de transmissió
Els paràmetres geomètrics de les línies de transmissió són com "motlles" que donen forma a la impedància, i tenen un impacte directe i significatiu sobre ells. L'amplada de línia és un dels paràmetres sensibles. En termes generals, com més ampla és l'amplada de la línia, més gran és l'àrea de la secció transversal-de la línia de transmissió, més baixa és la resistència i més gran és la capacitat i la inductància entre línies, el que resulta en una disminució de la impedància característica; Per contra, com més estreta sigui l'amplada de la línia, més gran serà la impedància característica. Prenent com a exemple la línia de transmissió d'impedància comuna de 50 Ω, en plaques de circuit imprès amb una estructura i material apilats específics, pot ser necessari controlar amb precisió l'amplada de la línia al voltant de 0,15 mm per complir els requisits d'impedància.
El canvi en la longitud de la línia no es pot ignorar. A mesura que augmenta la longitud de la línia, es millora l'efecte acumulat de la resistència, la capacitat i la inductància que experimenta el senyal durant la transmissió, la qual cosa no només condueix a una major atenuació del senyal, sinó que també canvia la impedància característica. En els circuits d'alta-freqüència, les línies de transmissió excessivament llargues són com carreteres llargues i accidentades, que provoquen una pèrdua greu del senyal durant la transmissió i que provoquen fàcilment problemes d'integritat del senyal.
L'espaiat entre línies, com a component important dels paràmetres geomètrics de les línies de transmissió, afecta la capacitat i la inductància mútua entre línies. Un espai de línia adequat pot reduir la diafonia entre línies, garantir la puresa del senyal i també afectar la impedància característica. Un espai entre línies més gran reduirà la capacitat i la inductància mútua entre línies i augmentarà la impedància característica; Un espai entre línies més petit reduirà la impedància característica, però pot augmentar el risc de diafonia.
El paper decisiu de les característiques del material de les plaques de circuit imprès
Les característiques del material de les plaques de circuit imprès són els factors intrínsecs determinants de la impedància. La constant dielèctrica és inversament proporcional a la impedància. Com més gran sigui la constant dielèctrica, més gran serà la capacitat de la línia de transmissió i menor serà la impedància característica. La constant dielèctrica de diferents tipus de plaques de circuit imprès varia significativament. Per exemple, la constant dielèctrica de les plaques FR-4 normals està generalment entre 4,2-4,6, que és adequada per a circuits de baixa freqüència i sensibles al cost; El politetrafluoroetilè de làmina d'alta freqüència (PTFE) té una constant dielèctrica més baixa, normalment entre 2,2 i 2,6, i s'utilitza habitualment en camps com la comunicació d'alta freqüència que requereixen una qualitat de transmissió de senyal extremadament alta.
L'angle de pèrdua dielèctrica reflecteix el grau de pèrdua d'energia de les plaques de circuit imprès sota l'acció del camp elèctric altern. En circuits d'alta-freqüència, un angle de pèrdua dielèctrica gran és com un "forat negre d'energia", que consumirà una gran quantitat d'energia del senyal i augmentarà l'atenuació del senyal. Per tant, en el disseny de circuits d'alta-freqüència, triar una placa amb baixa pèrdua dielèctrica és la clau per garantir la qualitat del senyal.
El paper important dels 3 plans de referència
El pla de referència té un paper indispensable en el control d'impedància de plaques de circuit imprès. La distància entre la línia de transmissió i el pla de referència té un impacte directe en la impedància. Com més propera sigui la distància, més gran serà la capacitat i menor serà la impedància característica; Per contra, com més gran sigui la impedància característica. Quan es dissenyen piles de plaques de circuit imprès, cal controlar amb precisió la distància entre la línia de transmissió i el pla de referència segons els requisits d'impedància per aconseguir la impedància objectiu.
La integritat del pla de referència també és crucial. Si hi ha discontinuïtats o divisions en el pla de referència, igual que una carretera trencada, pot provocar canvis en la distribució actual de la línia de transmissió, alterant així la impedància. Per exemple, a les plaques de circuits impresos de transmissió de senyal d'alta velocitat-, si hi ha buits en el pla de terra, afectarà el camí de retorn de la línia de transmissió, provocant fluctuacions d'impedància i afectant seriosament la integritat del senyal.
3, Realitzeu el control d'impedància de les plaques de circuit imprès en tots els aspectes
1. Etapa de maquetació acuradament planificada
La fase de disseny és el punt de partida i la fase de planificació del projecte per implementar el control d'impedància de plaques de circuit imprès. Un disseny d'apilament raonable és la base, que requereix una consideració exhaustiva de la disposició de la capa de senyal, la capa de potència i la capa de terra, així com la selecció del gruix dielèctric i els materials entre cada capa. Normalment s'utilitza una estructura apilada simètrica per garantir una distància uniforme entre la capa de senyal i el pla de referència, proporcionant un entorn estable per a la transmissió del senyal. Per exemple, quan es dissenya una placa de quatre capes, la capa de potència i la capa de terra es poden col·locar a les dues capes del mig, i les capes superior i inferior es poden utilitzar com a capes de senyal. En establir raonablement el gruix dielèctric entre cada capa, es pot aconseguir un control preliminar de la impedància.
El càlcul precís de l'amplada i l'espaiat de la línia és una de les tasques bàsiques de la fase de planificació. Amb l'ajuda d'eines professionals de càlcul d'impedància com PolarSI9000, HyperLynx, etc., l'amplada de línia i l'espaiat de les línies de transmissió es poden calcular amb precisió en funció de les característiques dels materials de les plaques de circuit imprès, les estructures apilades i els valors d'impedància esperats. En el procés de càlcul, també cal tenir en compte plenament la influència de les toleràncies de fabricació, reservar els marges adequats i assegurar-se que les plaques de circuit imprès fabricades reals compleixen els requisits d'impedància.
Per als senyals diferencials que s'utilitzen àmpliament en circuits-d'alta velocitat, el seu disseny requereix un control més estricte. Per controlar estrictament l'amplada de línia, l'espaiat i la concordança de longitud dels parells diferencials, la impedància diferencial està dissenyada generalment per ser de 100 Ω. Mitjançant l'ús de l'encaminament en serpentina i altres mètodes per ajustar la longitud dels parells diferencials, les longituds de les dues línies de transmissió s'iguals com sigui possible, reduint les diferències de retard de transmissió del senyal i garantint la integritat dels senyals diferencials.
2 .Fases de fabricació estrictament controlades
La fase de fabricació és un pas crucial per transformar els plànols de disseny en productes reals, jugant un paper decisiu en el control de la impedància de les plaques de circuit imprès. Pel que fa a la selecció del material, cal triar plaques amb constant dielèctrica precisa i estable i baixa pèrdua dielèctrica per garantir que el control d'impedància està garantit des de la font. Al mateix temps, cal controlar estrictament la qualitat del tauler per evitar fluctuacions de rendiment causades per diferències en els lots de material.
La tecnologia de mecanitzat de precisió és el nucli de l'etapa de fabricació. El procés de gravat determina directament la precisió de l'amplada de la línia i la qualitat de la vora de la línia de transmissió, que requereix un control precís de paràmetres com ara el temps de gravat, la concentració de la solució de gravat i la temperatura per evitar la desviació de l'amplada de la línia causada per un gravat excessiu o insuficient. El procés de laminació afecta la uniformitat del gruix mitjà. Durant el procés de laminació, cal controlar estrictament paràmetres com la pressió, la temperatura i el temps per evitar l'aparició de bombolles i impureses, i assegurar-se que les capes s'adhereixen fortament i que el gruix mitjà sigui consistent. El procés de galvanoplastia està relacionat amb la conductivitat i la resistència a la corrosió de les línies de transmissió. El control precís del temps de galvanoplastia, la densitat de corrent i altres paràmetres garanteix un gruix uniforme del recobriment i millora el rendiment elèctric de les línies de transmissió. A més, a causa de l'existència inevitable de toleràncies en el procés de fabricació, com ara toleràncies d'amplada de línia, toleràncies de gruix dielèctric, etc., cal compensar les toleràncies de fabricació durant la fase de disseny. Ajustant els paràmetres de disseny adequadament, es pot reduir l'impacte de les toleràncies de fabricació sobre la impedància.
3. Etapes d'assaig i verificació rigoroses i meticuloses
Després de completar la fabricació de plaques de circuits impresos, les proves i la verificació són els darrers passos per garantir el compliment de la impedància. El reflectòmetre de domini temporal (TDR) és un instrument de prova d'impedància d'ús habitual que pot calcular de manera ràpida i precisa el valor d'impedància de la línia de transmissió i la ubicació de les discontinuïtats d'impedància enviant senyals de polsos d'alta-velocitat a la línia de transmissió i mesurant els senyals reflectits. Els analitzadors de xarxa s'utilitzen principalment per mesurar els paràmetres S-de circuits de RF i microones. Mitjançant l'anàlisi i el càlcul dels paràmetres S-, s'obtenen les característiques d'impedància de les línies de transmissió a diferents freqüències, proporcionant informació detallada per a les proves d'impedància de circuits d'alta-freqüència.
Després d'obtenir els resultats de la prova, cal-una anàlisi profunda. Si els resultats de la prova es desvien dels valors de disseny dins del rang permès, indica que el control d'impedància de les plaques de circuit imprès compleix els requisits; Si la desviació supera l'interval permès, cal investigar acuradament la causa, que pot implicar errors de càlcul de disseny, desviacions del procés de fabricació, fluctuacions del rendiment del material, etc. Preneu les mesures d'optimització corresponents per diferents motius, com ara ajustar els paràmetres de disseny, millorar els processos de fabricació o substituir materials, i tornar a realitzar proves d'impedància fins que els resultats de la prova compleixin els requisits de disseny.