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PCB技术高速设计中的特性阻抗问题

菜鸟
2008-08-29 11:52:30     打赏

 

在高速设计中,可控阻抗板和线路的特性阻抗问题困扰着许多中国工程师。本文通过简单而且直观的方法介绍了特性阻抗的基本性质、计算和测量方法。

Eric Bogatin

独立顾问

Bogatin公司

  在高速设计中,可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解一下传输线的定义:传输线由两个具有一定长度的导体组成,一个导体用来发送信号,另一个用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。在一个多层板中,每一条线路都是传输线的组成部分,邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“性能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。

 

  线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值,通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中,传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。

 

  但是,究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时,这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中,如把1伏特的电池连接到传输线的前端(它位于发送线路和回路之间),一旦连接,这个电压波信号沿着该线以光速传播,它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然,这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差,它可以从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。

 

  Zen的方法是先“产生信号”,然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0.01纳秒前进了0.06英寸,这时发送线路有多余的正电荷,而回路有多余的负电荷,正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差,而这两个导体又组成了一个电容器。

 

  在下一个0.01纳秒中,又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特,这必须加一些正电荷到发送线路,而加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸,必须把更多的正电荷加到发送线路,而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒,必须对传输线路的另外一段进行充电,然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池,当沿着这条线移动时,就给传输线的连续部分充电,因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每前进0.01纳秒,就从电池中获得一些电荷(±Q),恒定的时间间隔(±t)内从电池中流出的恒定电量(±Q)就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等,而且正好在信号波的前端,交流电流通过上、下线路组成的电容,结束整个循环过程。过程如图3所示。

线路的阻抗

  对电池来说,当信号沿着传输线传播,并且每隔0.01纳秒对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源获得恒定的电流时,传输线看起来像一个阻抗器,并且它的阻抗值恒定,这可称为传输线路的“浪涌”阻抗(surge impedance)。

 

同样地,当信号沿着线路传播时,在下一步之前,0.01纳秒之内,哪一种电流能把这一步的电压提高到1伏特?这就涉及到瞬时阻抗的概念。

 

  从电池的角度看时,如果信号以一种稳定的速度沿着传输线传播,并且传输线具有相同的横截面,那么在0.01纳秒中每前进一步需要相同的电荷量,以产生相同的信号电压。当沿着这条线前进时,会产生同样的瞬时阻抗,这被视为传输线的一种特性,被称为特性阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同,那么该传输线可认为是可控阻抗传输线。

 

  瞬时阻抗或特性阻抗,对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中,如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等,工作可顺利进行,但若阻抗发生变化,那会出现一些问题。

 

  为了达到最佳信号质量,内部连接的设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定,首先必须保持传输线特性阻抗的稳定,因此,可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外,其它的方法如余线长度最短化、末端去除和整线使用,也用来保持信号传递中瞬时阻抗的稳定。

 

特性阻抗的计算

  简单的特性阻抗模型:Z=V/I,Z代表信号传递过程中每一步的阻抗,V代表信号进入传输线时的电压,I代表电流。I=±Q/±t,Q代表电量,t代表每一步的时间。

 

  电量(来源于电池):±Q=±C×V,C代表电容,V代表电压。电容可以用传输线单位长度容量CL和信号传递速度v来推导。单位引脚的长度值当作速度,再乘以每步所需时间t, 则得到公式: ±C=CL×v×(±)t.综合以上各项,我们可以得出特性阻抗:Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v)

 

  可以看出,特性阻抗跟传输线单位长度容量和信号传递速度有关。为了区别特性阻抗和实际阻抗Z,我们在Z后面加上0.传输线特性阻抗为:Z0=1/(CL×v)

 

  如果传输线单位长度容量和信号传递速度保持不变,那么传输线特性阻抗也保持不变。这个简单的说明能将电容常识和新发现的特性阻抗理论联系在一起。如果增加传输线单位长度容量,例如加粗传输线,可降低传输线特性阻抗。

 

特性阻抗的测量

  当电池和传输线连接时(假如当时阻抗为50欧姆),将欧姆表连接在3英尺长的RG58光缆上,这时如何测无穷阻抗呢?任何传输线的阻抗都和时间有关。如果你在比光缆反射更短的时间里测量光缆的阻抗,你测量到的是“浪涌”阻抗,或特性阻抗。但是如果等待足够长的时间直到能量反射回来并接收后,经测量可发现阻抗有变化。一般来说,阻抗值上下反弹后会达到一个稳定的极限值。

 

  对于3英尺长的光缆,必须在3纳秒内完成阻抗的测量。TDR(时间域反射仪)能做到这一点,它可以测量传输线的动态阻抗。如果在1秒钟内测量3英尺光缆的阻抗,信号会来回反射数百万次,因此会得到不同的“浪涌”阻抗。

 

  本文作者Eric Bogatin在麻省理工学院获得物理学学士学位,在亚利桑那州立大学获得物理学硕士和博士学位。他曾在AT&T公司、贝尔实验室和太阳微系统等著名公司工作过。现任Bogatin公司独立顾问,专门从事信号完整性及互连设计的培训工作。




关键词: 技术     高速     设计     中的     特性     阻抗     问题     线路         

菜鸟
2008-09-04 09:11:23     打赏
2楼
PCB行业向中高端产品迈进
我国已成为PCB生产大国,但要成为PCB生产强国还需要业内企业把握PCB向更高密度发展机遇,提升技术水平,不断推出适应市场需要的高技术含量的产品。

  据中国印制电路行业协会(CPCA)统计,中国的PCB(印制电路板)产值在2007年达到143亿美元,占全球市场份额的28.6%,超过日本成为世界第一PCB生产大国。然而如何从PCB生产大国向生产强国转变,PCB企业还应该从求强求精上做文章。

  PCB走向高密度精细化

  随着电子整机产品向多功能化、小型化、轻量化方向发展,多层板、柔性印制电路板FPC、刚挠结合板、高密度互连积层板(HDI/BUM)、IC封装基板等品种已成为需求量大的产品。

  从世界PCB产品结构来看,下一代的电子系统对PCB的要求突出表现在更加高密度化和精细化。中国印制电路行业协会顾问林金堵表示,PCB产品已经开始部分或全面地走向高密度互连积层板(HDI/BUM)、封装基(载)板、集成(埋嵌)元件印制板和刚-挠性印制板。在今后一段时间内,这四大PCB类型产品必将成为PCB行业的四大亮点,而未来更先进的以“光信号”传输和计算的印制光路板也会取代现在的以“电信号”传输和计算的印制电路板。

  名幸电子总经理筱崎政邦表示,数字化家电产品,如手机、数字电视,以及低消耗、宽敞舒适的汽车等产品的迅速普及使得人们对HDI多层板的需求不断扩大,从而促进了板厚及层数等难题的破解。他强调说,以手机为中心的任意层构造的PCB将逐渐成为行业的主流产品。

  业内权威人士阐述的这些发展趋势为国内PCB企业指明了未来技术发展的线路图,企业应该在PCB产业向更高技术发展的过程中把握机遇,迎接挑战。

  化散原材料涨价压力

  近年来,PCB行业的原材料在整体不断涨价的基调上,每年都出现大幅波动,如果企业控制不好,不能对冲风险,将面临经营利润被材料价格波动“吞噬”,甚至可能出现亏损的局面。

  佛山市承安铜业有限公司董事长兼总经理周腾芳告诉记者,要规避原材料涨价带来的风险,首先要明确企业的定位,那就是生产企业做的是实实在在的加工与制造,赚的是在产品加工过程中带来的升值部分,所以PCB企业不要试图赚取原材料经常大幅波动所带来的“利润”,这样能够最大限度地减少原材料涨价带给企业的影响。

  分析PCB原材料涨价的原因,业内专家表示,从全球的角度看,有大的国际金融环境影响的因素;从国内的层面看,目前国内的经济形势和原材料厂家个人行为等都是PCB原材料涨价的诱因。深南电路总经理由镭表示,应该把PCB生产企业与材料供应商放在一条产业链上看,不能分割开,双方应该相互理解、支持。他指出,合作是一种长期的商业行为,大家的目标是共同渡过难关,如果立足于短期,或许某一方赚了一些利益,但长期来看会损坏整个PCB产业链,也会损坏双方的合作关系。同时,PCB企业自身也要采取积极降低成本,开发替代材料,开发更多供应商,合理向客户报价等方式,分散材料供应集中、成本上涨所带来的压力。

  提高技术档次是关键

  原材料涨价固然会对国内PCB企业产生一定影响,但国内PCB企业要想真正取得跨越式发展,则必须适应市场,提高PCB制造技术档次,提高产品的技术含量与附加值,向中高端PCB产品迈进,适应国内产业结构的大转型,以维持企业及行业的持续发展。

  由镭表示,中国PCB企业目前面临的主要问题是大而不强,过于分散,在低端市场展开以价格战为代表的恶性竞争;在高端产品领域还是以外资企业为主,国内企业普遍小而不强。中国PCB企业在技术创新、产业进步、提升整体竞争能力方面要走的路还很长。另外,中国PCB中小企业环保意识相对较弱,容易造成对环境污染,从而影响整个行业的社会形象,甚至导致许多地区抵制PCB产业;中国PCB企业主要依靠低成本的单一市场竞争模式也会影响整个行业的健康发展。

  针对这些问题的存在,他建议,国家及地方政府可以从以下几个方面进行有针对性的引导:第一是将PCB行业放在国家电子信息产业发展的高度来看,这是一个决定国家整体信息产业水平、国家竞争能力的关键配套产品,特别是高多层背板、HDI、IC封装板等应该成为国家产业政策鼓励、支持的产品。第二,由于PCB产业有一定污染,这种污染是整个产业链的发展所带来的,不能简单看待。对技术含量高、管理规范、规模大、推进节能减排、开展清洁生产的PCB企业应该重点扶持;而对于众多小企业,应帮助并组织他们对环保技术进行改进,积极赶上来,对于不满足要求的企业,应有合适的退出机制。第三,要适当提高新进入者的门槛,优先在现有行业内扶持大而强的企业,降低社会成本。
  

国有PCB企业产值增长趋势图
民营PCB企业产值增长趋势图
欧洲投资PCB企业产值增长趋势图
日本投资PCB企业产值增长趋势图

菜鸟
2008-09-04 09:13:31     打赏
3楼
大型等离子刻蚀机  

 

 

 

 

    适用于PCB生产行业,此外应用于处理大型及复杂结构的工件。
    真空系统泵采用无油前级泵加罗茨泵泵组结构,即保证抽速,又保证腔体洁净度,同时无油泵例如爪式干泵易维护、噪声小、抽速快,相对于部分耐腐蚀的油泵来说,其维护以及运作成本大大降低,同时该泵是适合于强氧化气体及含氟离子的特殊环境下工作的,大大提高泵体的寿命,罗茨泵的使用,是为在真空度低于1000帕时提高抽速,使之更快达到工作压强,既分担了单一泵体的工作压力,又提高了效率。
    自动控制系统,采用PLC进行全程控制,性能稳定,功能全面, 人机界面友好,采用12.1或10.4英寸触摸屏;或采用PC加显示器进行控制,可设定工艺过程参数,可对大量实时数据进行采集记录、打印,还具备事件报警,配方储存,数据报表等强大功能,可用PID模式自动控制真空度、极板温度等。 
    供气系统,采用5路气体质量流量计,分别用来控制不同的气体,通过一定的技术处理,使用户在计算机操作平台上可以方便的置入工艺生产中所需的气量。另外我们的供气管道采用了进口的高精度抛光不锈钢管,内壁光滑、气阻小,气体的流量更加稳定可靠。
    电极系统,该设计对等离子激发空间均匀性大大改善,在同一平面上等离子刻蚀清洗的速率更加一致,控制电力参数由系统结构设计获得,并能很好的控制电极的温度均一性,总之,电极整套体系的结构及与之交互作用的参数的合时控制,使电极对等离子的可控性大大提高。
竖直电极的设计加上工件架的配合使用,使不同板材的PCB可以方便、安全可靠地放于电极之间,使电极间空间利用率达到最大。
    水平电极的设计可以根据现场需要调整电极板间距,以适用于不同外形尺寸的工件放置,灵活多样而又保持一定的组合形式。保证质量且提高了效率。
    根据不同的电极结构,我们设计、制造了多种不同的工件架,分别应用于硬纸板材和软质板。工件架的特点,装卸方便、安全可靠,适合各种规格板材的摆放,保证了生产效率。工件架的设计结合了电极的结构,将电极之间的空间利用率达到最高。
    尾气处理系统采用了水吸收HF的方式,并且在水中加入了弱碱进行中和反应,避免对环境造成二次污染。

大型等离子清洗刻蚀系统主要技术数据及规格

 

 

型号

QT-10K-PE

QT-5K-PE

QT-5K-PEL

用途

PCB制造等

PCB制造等

PCB制造等

标准配置

真空腔体材质

不锈钢、合金铝

不锈钢、合金铝

不锈钢

外形尺寸WHD

1500mm×2000mm×1200mm

1500mm×2000mm×1200mm

1500mm×1900mm×1200mm

反应仓尺寸

W900mm×H1200mm×D800mm

W900mm×H1200mm×D800mm

W800mm×H1000mm×D800mm

有效面积

686mm×1030mm×12

686mm×1030mm×12

660mm×610mm×15

处理周期

15~30分钟

电源功率

MF电源40KHZ(0~10)KW

MF电源40KHZ(0~5)KW

控制系统

西门子PLC 加12.1英寸触摸屏

西门子PLC加10.4英寸触摸屏

过程温度控制

5℃ ~130℃ ±1℃ (水冷)

工作气体流量控制

5路送气(MFC)

真空泵系统

变频爪式干泵+罗茨泵

泵前置过滤器

包括

真空测量

大气~0.1Pa

冷水机

20℃ ±0.5℃

选配功能

手动操作

可提供

气体流量控制

路数可增减

自动真空控制

可提供

等离子电源

可提供RF13.56MHZ 1KW、3KW、5KW、10KW

腔体及电极

可按客户要求设计

选配件

冷水机

20℃ ±0.5℃

尾气处理设备

可提供

油泵系统

可提供

真空前级泵

可选择直联泵(油泵)

油过滤器及液位器

可随油泵提供

所需环境配置

电;AC380V/50HZ 3P 5W RE

60A

50A

50A

水:小于0.69MPa 5℃ 至30℃

大于7.57L/min

气:0.15至0.8MPa

大于14L/min

环境

最高28℃ 良好换气通风

效果实例:

 

由上图可见,经等离子处理后PCB上发黄的氧化层物质明显减轻.

 


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