Контроль качества высокочастотных печатных плат

Фото и графики с сайта www.sovtest.ru

По прогнозам, в течение ближайших нескольких лет количество ПП с контролируемым импедансом составит до 70% от всего рынка. Под такими изделиями подразумеваются высокочастотные ПП с волновым сопротивлением проводников, заданным на этапе конструирования, и дальнейшим его контролем на этапе производства. Мировая тенденция такова, что большинство разработчиков электроники – особенно в отраслях ВПК, аэрокосмической и коммуникационной - теперь используют ПП с контролируемым импедансом. Это необходимо для повышения помехозащищенности и уменьшения ошибок при передаче сигнала на высокой частоте.

На высоких частотах проводники ПП уже не могут рассматриваться как простые «отрезки проволоки». Известно, что передача сигналов без искажений возможна в том случае, когда проводник выполняется как линия передачи с заданным импедансом, постоянном на всем протяжении от источника к приемнику сигнала. По сравнению с обычным проводником линия передачи не приводит к искажению сигнала, какой бы длинной она ни была. Линии передачи реализуются на ПП при соблюдении технологии производства, заданных материалов, геометрических размеров проводников и др. элементов ПП. Основными линиями передачи, реализуемыми на печатных платах, являются: микрополосковая линия, дифференциальная пара.

Микрополосковая линия (несбалансированная)

Дифференциальная пара (сбалансированная микрополосковая линия)

Задача разработчика современной быстродействующей аппаратуры, функционирующей на частотах в десятки гигагерц – спроектировать работоспособное изделие с учетом современных технологий производства и особенностей передачи сигналов с использованием различных типов линий передачи. Эта задача не из простых, существует много переменных, которые необходимо учитывать при проектировании линий передачи на ПП. Решение - специальные программные продукты (www.polarinstruments.com) - тема, заслуживающая особого внимания. Программное обеспечение Polar является средством автоматизации процедуры создания моделей печатных плат, создано для всех специалистов, связанных с разработкой ПП с контролируемым импедансом. ПО Polar значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования ПП и документирования полученных результатов. Обладая набором исходных данных, конструкторы и дизайнеры могут создавать эффективные модели ПП с использованием имеющихся материалов, с соблюдением требований к конкретной ПП.

Задача технолога – изготовить ПП в соответствии с заданными параметрами, т.е. годное изделие. Возникает вопрос: как убедиться, что ПП - ГОДНАЯ, в нашем случае - проконтролировать импеданс на ПП? Важный нюанс - сейчас, когда ширина проводников сопоставима с их толщиной, а частоты возросли до гигагерц, необходимо учитывать возможные подтравы, которые вносят изменения в геометрические размеры проводников, в результате чего изменяются параметры линии передачи. Подручными средствами не обойтись. Нужно специализированное оборудование.

Динамический рефлектометр для контроля волнового сопротивления цепей на печатной плате

Координатный стол для позиционирования пробника TDR

Time Domain Reflectometry (TDR) – динамический рефлектометр. Принцип работы TDR: по линии передачи посылается импульс и фиксируется его отражение, вычисляется распределение волнового сопротивления проводника по всей его длине. Результирующая форма сигнала состоит из посланной волны и отраженной. По форме сигнала можно судить о расстоянии до места дефекта и причине изменения импеданса, например подтрав.

Примеры форм сигнала. Слева - обрыв. В центре – ГОДНЫЙ проводник. Справа - КЗ

Время нарастания импульса и полоса пропускания TDR должна быть достаточной для измерения длины проводника, т.е. для измерения импеданса коротких проводников необходимо короткое время нарастания импульса и широкая полоса пропускания. Отношение между полосой пропускания (F, ГГц) и временем нарастания импульса (t, пс) выражается как: F= 0.35/t

Например, для t=200 пс TDR имеет полосу пропускания 1.75 ГГц и способен контролировать проводники длиннее 7 см (3 дюйма и более); 35 пс – 10 ГГц, длина - от ¼ дюйма.

Дифференциальные пары в настоящее время встречаются реже одиночных микрополосковых линий. С увеличивающимися требованиями по улучшению отношения сигнал/шум для высокочастотных ПП дифференциальные пары становятся более востребованными. Главное различие между ними и одиночными микрополосками – дифференциальные пары требуют посылки импульсов и выборки по двум линиям вместо одной. Также требуется специальный инструмент (пробник, адаптер), и вычисления импеданса происходит по-другому.

Для контроля импеданса компания «Совтест АТЕ» предлагает решение от фирмы Microcraft, Япония - динамический рефлектометр MZPC30/50. В системе используется рефлектометрический метод измерения коэффициента отражения импульсов с временем нарастания от 30 пс. MZPC имеет встроенный ПК и специализированное программное обеспечение. Результаты измерения представляются графически и в таблице. Возможны измерения как одиночной микрополосковой линии, так и дифференциальной пары.

Технические характеристики системы

Время нарастания импульса: 50-70 пс
Амплитуда: +250 mV, -250mV
Длительность импульса: 25 нс с повторяемостью 100 нс
Точность: 50 Ом +/-1%
Диапозон измерений: 0-500 Ом
Контроллер: Windows PC с установленным ПО для измерений
Стандартные аксессуары: SMA-кабель, одиночный пробник
Опции: сменные пробники, координатный стол для максимального удобства контроля ПП
Точность временной развёртки: 5%
Условия эксплуатации: 0-40°С
Размеры (ВхШхГ): 180x200x300 мм

Информация с сайта www.sovtest.ru.