Dosažení 5% tolerance impedance v návrhu desek plošných spojů: od materiálů k výrobě

Řízení impedance, zjednodušeně řečeno, zajišťuje, že elektrické signály plynule procházejí po desce plošných spojů (PCB) bez zkreslení nebo odrazů – podobně jako když se na dálnici udržují jízdní pruhy jednotné a povrch rovný, takže auta jedou stabilně bez nárazů nebo zatáčení. Pro vysokorychlostní a vysokofrekvenční aplikace, jako je 5G komunikace, servery umělé inteligence, automobilová elektronika a zdravotnické prostředky, je přesné řízení impedance klíčové pro zajištění integrity a spolehlivosti signálu.

Typy impedance

Jednostranná impedance : Jednostranná impedance označuje impedanci jedné signálové stopy vzhledem k referenční rovině (obvykle zemi nebo napájení). Běžně se vyskytuje v digitálních obvodech a přenosu hodinových signálů.

Diferenciální impedance : Diferenciální impedance je tvořena dvojicí drah nesoucích komplementární signály (kladný a záporný). Tato konfigurace poskytuje silnou odolnost proti šumu a snižuje elektromagnetické záření, což ji činí ideální pro komunikační rozhraní USB, HDMI, LVDS, PCIe a 5G. Řízení diferenciální impedance je složitější než u jednopólového řízení, protože závisí nejen na šířce drah a tloušťce dielektrika, ale také na rozteči drah, rovnoběžnosti a konzistenci výroby.

Impedance koplanárního vlnovodu a impedance mikropáskového/páskového vedení : Koplanární vlnovody se často používají ve vysokofrekvenčních obvodech; signální vedení je lemováno zemnícími rovinami pro lepší řízení rozložení elektromagnetického pole. Mikropáskové vedení se umisťuje na povrchu desky plošných spojů, přičemž jako médium je použit vzduch i dielektrikum. Páskové vedení, vložené mezi dvě referenční roviny, se lépe hodí pro vysokorychlostní přenos signálu s vysokou integritou.

Klíčové faktory ovlivňující impedanci

Výběr materiálu

Dielektrická konstanta (Dk) a disipační činitel (Df) materiálů přímo ovlivňují rychlost šíření signálu a jeho útlum. Standard FR4 je vhodný pro většinu vícevrstvých desek plošných spojů. Pro vysokofrekvenční a vysokorychlostní aplikace nabízejí materiály jako Rogers a Megtron stabilnější Dk a nižší Df. Společnost SprintPCB vybírá materiály na základě požadavků zákazníka a aplikačního prostředí, aby zajistila spolehlivé impedanční charakteristiky od základu.

Šířka a rozteč stop

Impedance je vysoce citlivá na geometrii stop – i několik mikrometrů odchylky může způsobit odchylky od konstrukčních cílů. Proto musí být šířka a rozteč stop během výroby přísně kontrolovány, což vyžaduje extrémně stabilní procesy leptání. Nadměrné nebo nedostatečné leptání může změnit šířku stopy a ovlivnit impedanci. SprintPCB využívá vysoce přesnou laserovou expozici LDI a automatizované leptací systémy k udržení minimálních odchylek a zajištění konzistence impedance.

Dielektrická tloušťka

Během laminace může jakákoli změna dielektrické tloušťky – způsobená odchylkami teplotní nebo tlakové křivky – ovlivnit hodnoty impedance. SprintPCB využívá přesné řízení laminační křivky k zajištění rovnoměrné dielektrické tloušťky napříč vrstvami a dosahuje stabilní impedance i při hromadné výrobě.

Tloušťka mědi a povrchová úprava

Tloušťka mědi a povrchová úprava také ovlivňují impedanci. Například vrstvy mědi o tloušťce 35 μm a 18 μm vytvářejí výrazně odlišné hodnoty impedance. Povrchové úpravy, jako je ENIG nebo galvanické pokovování, mírně mění morfologii povrchu, což nenápadně ovlivňuje přenos signálu. Společnost SprintPCB přísně kontroluje procesy pokovování a povrchové úpravy a ověřuje výsledky pomocí testování TDR (Time Domain Reflectometrie), aby zajistila, že naměřená impedance odpovídá konstrukčním cílům.

Jak dosáhnout kontroly impedance

Použití diferenciálního páru

Diferenciální signalizace je široce používaná metoda řízení impedance. Přenosem signálů přes kladný/záporný pár se zvyšuje odolnost proti šumu a snižuje se elektromagnetické rušení. SprintPCB zajišťuje konzistenci diferenciální impedance přesnou regulací rozteče, šířky a tloušťky dielektrika.

Správa šířky a rozteče trasování

Přesná šířka a rozteč stop jsou pro cílovou impedanci zásadní. Konstruktéři musí zohlednit dielektrickou konstantu, tloušťku mědi a referenční roviny pomocí kalkulaček impedance nebo simulačních nástrojů. Konzistentní geometrie snižuje přeslechy a zachovává integritu signálu. LDI expozice a automatizované leptání SprintPCB zaručují věrnou reprodukci konstrukčních parametrů pro opakovatelné řízení impedance.

Použití pozemních a referenčních rovin

Zemnící a referenční roviny hrají zásadní roli ve stabilitě impedance. Zemnící rovina poskytuje zpětnou cestu signálu a udržuje impedanci konstantní. Referenční rovina vytváří jednotnou potenciální základní linii, což napomáhá integritě signálu. Díky optimalizovanému návrhu vrstev a řízenému rozteči vrstev lze impedanci efektivně řídit napříč celou deskou plošných spojů.

Řízení tloušťky materiálu a mědi

Snížení impedance často zahrnuje úpravu vlastností materiálu a geometrie vodičů. Materiály s nižší hodnotou Dk urychlují šíření signálu a snižují impedanci. Úpravou šířky vodičů a tloušťky mědi se jemně dolaďuje impedance. S rostoucí tloušťkou mědi se snižuje indukčnost a zvyšuje kapacita, což vede k nižší impedanci – proto je pečlivá regulace mědi zásadní.

Ve výrobě společnosti SprintPCB vyvíjí technický tým přesné modely vrstvení na základě cílové impedance zákazníka a optimalizuje šířku stop, rozteč a konfiguraci vrstev. Během výroby je laminace pečlivě řízena pomocí dovážených lisů s vysokou rovinností a ocelových plechů, čímž se dosahuje rovinnosti v rozmezí 0,02 mm/m² a tolerance dielektrické tloušťky v rozmezí 5 %. Leptání kyselinou zajišťuje hladké boční stěny s leptacím faktorem 4–6, čímž se minimalizují rozměrové odchylky. Vysoce přesné testování TDR zajišťuje, že konečné hodnoty impedance zůstávají v úzkých tolerančních rozmezích, což zaručuje spolehlivý a opakovatelný výkon napříč šaržemi.