Измерение контролируемого импеданса в дифференциальном режиме
В статье поясняется один из наиболее трудных аспектов измерения контролируемого импеданса — дифференциальный режим. Немногие пользователи знают, что существует по крайней мере два различных вида дифференциальных измерений, а производители иногда вводят пользователей в заблуждение относительно реальных возможностей выпускаемого ими измерительного оборудования.
Введение
Контроль импеданса — типовое требование, предъявляемое к производителям печатных плат уже в течение многих лет, однако оно всегда относилось к ограниченному набору видов изделий. Сегодня границы этого требования расширяются, и оно становится все более универсальным, так как рабочие частоты электронных изделий повышаются, и все большее число производителей печатных плат встают перед необходимостью осваивать эту технологию у себя на предприятии.
Мировая тенденция такова, что большинство разработчиков электроники (особенно в отраслях военно-промышленного комплекса, аэрокосмической и коммуникационной) теперь используют печатные платы с контролируемым импедансом. Это необходимо для повышения помехозащищенности и уменьшения ошибок при передаче сигнала на высокой частоте.
На высоких частотах проводники печатной платы 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, постоянным 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 печатной плате при соблюдении технологии производства, заданных материалов, геометрических размеров проводников и других элементов печатной платы. Когда высокочастотный сигнал должен проходить через различные линии передачи, импеданс этих линий должен быть согласован, и согласно теории оптимальная ситуация достигается в случае полного согласования импеданса различных сред передачи сигнала. Всякий раз, когда импеданс изменяется, часть сигнала оказывается потерянной в связи с затуханием или искаженной из-за отраженной помехи.
В настоящее время типична ситуация, когда платы для высокочастотных изделий изготавливаются с соблюдением определенных заданных значений импеданса для определенных проводников. Измерение импеданса на печатных платах выполняется с помощью специальных инструментов, реализующих методы динамической рефлектометрии (Time Domain Reflectometry, TDR). Это особое требование стандартов IPC.
На рынке есть и другие инструменты для измерения импеданса на базе иных методов, но такие измерения не одобрены Ассоциацией IPC. Как же работает динамическая рефлектометрия? Принцип работы TDR: по линии передачи посылается импульс, затем фиксируется его отражение и вычисляется распределение волнового сопротивления проводника по всей его длине. Результирующая форма сигнала состоит из посланной волны и отраженной.
По форме сигнала можно судить об изменении импеданса по длине линии. Основными линиями передачи, реализуемыми на печатных платах, являются микрополосковая линия и дифференциальная пара.
Несимметричные измерения
Первое и наиболее простое измерение по методу динамической рефлектометрии — это так называемое несимметричное измерение. В этом случае измеряется импеданс одиночного проводника (микрополосковой линии). На заготовке обычно размещается особый измерительный проводник, называемый купоном.
На одном из концов проводника выполнена пара отверстий. Одно предназначено для сигнала и соединено с проводником, второе — опорное и подсоединено к «земле». На рис. 1 приведен пример купона одиночной микрополосковой линии. Инструмент, реализующий метод динамической рефлектометрии, подает на проводник положительный импульс.
У этого импульса очень короткий фронт (<100 пс): чем короче фронт импульса, тем совершеннее измерительный инструмент. Импульс проходит до конца проводника и отражается обратно к измерительному пробнику. После обработки полученного сигнала с помощью сложных алгоритмов метода динамической рефлектометрии производится дискретизация отраженного сигнала и вычисление импеданса тестового проводника по всей длине с дискретностью три значения на мм.
Результаты обрабатываются и отображаются на дисплее в виде численных значений (максимального и минимального значений импеданса и статистического разброса) и графика (рис. 2). Измерения проводятся на тест-купоне, так как он является идеальной микрополосковой линией, не содержит неоднородностей, может быть адекватно рассчитан (имеется большое количество калькуляторов, как отдельных, так и встроенных в CAD), прогнозируемо воспроизведен и в этой связи может быть использован как приемо-сдаточный элемент.
В принципе может быть замерен любой проводник на плате, но так как в общем случае он содержит неоднородности (локальные изменения ширины, переходные отверстия и т. п.), значение его импеданса может служить только справочной характеристикой, а никак не приемо-сдаточной.
Дифференциальные измерения
Долгое время несимметричные измерения были единственным доступным видом измерений, однако с появлением новых требований, повышением частоты передачи сигнала по печатной плате и разработки инновационных схемотехнических решений появилась необходимость в проведении измерений на дифференциальных парах, используемых для передачи дифференциального сигнала.
Дифференциальная пара состоит из двух линий передачи. Каждая линия может представлять собой обычную полосковую или микрополосковую линию передачи. Важным свойством является то, что временная задержка в дифференциальных линиях должна быть согласована так, чтобы фронт и спад сигналов в отдельных линиях были точно и четко определены.
Любое различие во временной задержке между двумя линиями или иное рассогласование между ними приведут к тому, что дифференциальный сигнал будет преобразован в сигнал общего вида. Электромагнитная связь между двумя проводниками не обязательна, но важное преимущество дифференциальных пар — помехоустойчивость — теряется, если ее нет.
Связь между двумя линиями передачи в составе дифференциальной пары позволит дифференциальным сигналам распространяться с меньшими помехами, возникшими от других активных цепей, чем одиночным сигналам.
Чем больше связь, тем более устойчивыми будут дифференциальные сигналы к внешним возмущениям и несовершенствам конструкции. В рамках этого вида измерений одновременно тестируются два проводника на тесткупоне (рис. 3).
Конструкция проводников и мотивация использования тест-купона аналогична изложенной в предыдущем разделе. Это означает, что с помощью специального пробника два импульса одновременно подаются по одному на каждый проводник. Однако существуют различные режимы выполнения таких измерений. Неравный дифференциальный режим
Неравный дифференциальный режим (также называемый «истинным дифференциальным») является наиболее совершенным и точным. Именно он обычно требуется для контроля плат согласно современным техническим требованиям.В неравном дифференциальном режиме на один проводник подается положительный импульс напряжения, а на другой — отрицательный. Импульс проходит до конца каждого проводника и отражается обратно к измерительному пробнику. Затем сигналы с обоих проводников дискретизируются и обрабатываются по отдельности в один и тот же момент времени.
При работе в неравном дифференциальном режиме инструмент рефлектометрии должен одновременно подавать положительный сигнал на один проводник и отрицательный — на другой. Это означает, что потребуется обеспечить одновременную выработку двойного разнополюсного сигнала по напряжению. Такое требование вызвало необходимость проведения дополнительных разработок, так как генерация отрицательного сигнала гораздо более сложна, чем положительного.
Чтобы достаточно быстро сгенерировать соответствующий положительному отрицательный сигнал для заданной полосы частот, производители измерительных инструментов в большинстве случаев должны были разрабатывать свои собственные микросхемы.
Равный дифференциальный режим Некоторые производители измерительно го инструмента обошли эту проблему с по мощью небольшой хитрости и представили равный дифференциальный режим. В этом случае на оба проводника одновременно подаются одинаковые положительные импульсы. Это очень легко реализовать, в том числе с помощью инструмента для несимметричных измерений, и не требует от производителей инструментов никаких дополнительных раз работок. Измерениям в равном дифференциальном режиме присуще принципиальное ограничение по диапазону.
При выполнении измерений в этом режиме нижний предел значения импеданса, который возможно измерить, за висит от наименьшего значения напряжения, которое можно выделить из помех. Так как генерируется только положительное напряжение, это значение находится между положительным напряжением и «землей» (нулем). В неравном режиме в измерениях присутствует как положительное, так и отрицательное напряжение, и таким образом абсолютное зна чение разницы напряжений удваивается.
Это означает, что измерения малых значений импеданса в неравном режиме могут дать более точные значения, чем в равном. Наблюдается тенденция в сторону перехода к более высоким частотам, и вследствие этого при работе по методу динамической рефлектометрии требуется генерировать описанные выше по ложительные и отрицательные сигналы со все более и более высокими частотами и короткими фронтами.
Время нарастания импульса определяет реальную разрешающую способность системы, а повышенные частоты позволяют выполнять измерения на более коротких проводниках. Поэтому внимательно относитесь к ситуации, когда необходимы дифференциальные измерения, и четко осознавайте, каковы реальные требования к вашим изделиям и что может выбранный вами измерительный инструмент на самом деле.
Заключение
Дифференциальные измерения предпочтительно выполнять в неравном или истинном дифференциальном режиме.
Все инструменты компании Zmetrix (рис. 4) стандартно предоставляют возможности неравного дифференциального режима, и только по запросу поставляется специальный недорогой пробник для выполнения менее точных измерений в равном дифференциальном режиме.
Измерение импеданса при изготовлении печатных плат
Измерение импеданса — контроль волнового сопротивления проводников и дифференциальных пар рефлектометрическим методом (Time Domain Reflectometry, TDR).
Платы с контролем импеданса требуют выполнения измерений, которые подтверждают, что значения волновых сопротивлений находятся в пределах допуска. Для этого на специальном тестовом купоне, который располагается на заводской заготовке, выполняются отрезки проводников заданной ширины и в заданных слоях. Используя специальный прибор, проверяется соответствие волновых сопротивлений на купоне для каждой заготовке, тем самым получая подтверждение тому, что печатные платы на этой заготовке выполнены с корректным импедансом в пределах допуска. Заготовки с некорректным импедансом отбраковываются. Вместе с изготовленными печатными платами, как правило, предоставляется отчет о контроле импеданса (Impedance Test Report).
Параметры материала
Типовой материал FR4 для изготовления печатных плат имеет значение диэлектрической постоянной (Er) около 4,5…4,7 на низкой частоте (1 МГц), но с ростом частоты до 1 ГГц оно линейно уменьшается до Er=3,8…4,2 (в зависимости от марки материала и вида плетения). Реальные значения Er могут колебаться в пределах ±25%. Существуют «нормированные» виды материала FR4, у которых значение Er нормируется и гарантируется изготовителем, и они ненамного дороже обычных, но производители печатных плат не обязаны использовать «нормированные» виды FR4, если это специально не указано в заказе на печатную плату.
При расчете импеданса линий на печатной плате надо брать значение диэлектрической постоянной для максимальной частоты спектра сигнала. При работе с цифровыми сигналами длительность фронта составляет единицы наносекунд, что соответствует максимальным частотам порядка 1 ГГц и диэлектрической проницаемости порядка 4,0.
Толщина диэлектрика
Производители печатных плат работают с диэлектриками стандартных толщин («препреги» и «ядра»), и их толщина в каждом слое должна быть определена перед запуском платы в производство, с учетом допусков на толщину (около ±10%).
Высокочастотные материалы
Для сигналов частотой выше 1 ГГц может оказаться необходимым применение более высокочастотных материалов, с лучшей стабильностью и другими диэлектрическими параметрами (такими как Duroid фирмы Rogers и т. д.).
Тестирование печатных плат: важнейшие методы и показатели
Производители знают, что процесс изготовления печатных плат требует много усилий с точки зрения контроля качества и испытаний. Существует множество способов проверки качества, чтобы гарантировать, воспроизводимость проекта в условиях массового производства с сохранением высокого качества, но многое из этого может происходить в фоновом режиме без ведома разработчика.
Другие важные испытания, такие как тестирование на готовность к производству и функциональное тестирование печатной платы, обычно являются обязанностью разработчика и выполняются во время создания прототипа, эти испытания так-же становятся частью процесса серийного производства.
Независимо от того, какой уровень испытаний и проверки вам необходимо выполнить, важно определить основные требования к испытаниям, которым должен удовлетворять ваш проект и с которыми вы должны ознакомить вашего производителя.
Если вы впервые переходите от прототипов к производству большого объема, ознакомьтесь с нашим списком требований к процессам испытаний плат, чтобы знать, чего вам следует ожидать.
Испытания печатных плат во время их производства
Во время изготовления и сборки выполняется несколько процедур испытаний печатных плат. Они направлены на оценку качества и ресурса печатной платы без элементов, а также на то, чтобы убедиться, что конструкция пройдет этап сборки без дефектов. Кроме того, во время изготовления/сборки будут проводиться электрические испытания и сравнение с проектным списком цепей.
Когда речь идет о прототипе, его тестирование не заканчивается производством первого образца. После того как платы будут получены, команда разработчиков должна выполнить для всех плат тестирование на их готовность к производству и функциональные испытания, прежде чем завершить проектирование.
После расширения серийного производства до тысяч или миллионов плат может потребоваться автоматизация некоторых процессов для обеспечения высокой производительности и качества.
Механические испытания и проверки печатных плат
Существует минимальный набор механических испытаний и проверок, которые выполняются во время производства, чтобы проверить процесс изготовления платы и гарантировать надежность последующей сборки узла:
| Испытание | Что проверяется | Критерии |
| Визуальный осмотр и рентген-контроль | Цель — это выявление любых нарушений, расслоений или других повреждений в поверхностных (визуальный осмотр) и внутренних (рентген-контроль) слоях. Рентген-контроль также используется для проверки корпусов BGA или QFN на наличие достаточного количества припоя и целостности паянных соединений. | Пройден / не пройден |
| Испытание на отслаивание | Измеряет усилие, необходимое для отслаивания склеенной платы после того, как стек слоев собран и полностью отвержден. | Пройден / не пройден + конкретное значение |
| Испытание в ванне с припоем и проверка на растекание припоя | Определяет способность к пайке металлизированного сквозного отверстия (PTH), а также то, может ли покрытие стенок переходного отверстия выдерживать термическое напряжение во время пайки перед выходом из строя. | Пройден / не пройден |
| Визуальный автоматизированный контроль (AOI) | Используется для автоматического определения дефектов сборки, таких как недостаточное количество припоя, трещины в соединениях, разомкнутые соединения (например, сквозное проплавление или эффект «надгробного камня» в крайних случаях). Новые методы AOI, разработанные с помощью глубокого обучения, используются для выявления холодной пайки. | Пройден / не пройден |
Эти испытания могут проводиться, чтобы определить наличие какой-либо возможной проблемы качества, присущей производственному процессу и для понимания того, что нужно будет изменить в процессе производства для устранения проблемы. Бывает что причина проблемы кроется в особенностях конструкции, тогда потребуется вносить правки в проект.
Электрические испытания печатных плат во время производства
Электрические испытания также проводятся во время производства для проверки любых неисправностей, отклонений импеданса или остатков припоя:
- Контроль электрических соединений: определение наличия разрывов и коротких замыканий, а также конкретных значений напряжения/тока в контрольных точках. Иногда для измерения определенного сигнала используется испытательная оснастка. Кроме того, электрическое тестирование на включение или отключение питания может использоваться с определенными компонентами или контрольными точками для проверки наличия неисправных компонентов.
- Испытание сплавом Розе: это испытание выполняется для проверки на наличие любых загрязнений, которые могли остаться от паяльного флюса.
- Рефлектометрия во временной области (TDR): этот тест используется для измерения импеданса одиночных и дифференциальных линий. Она может быть выполнена на тест-купоне или на тестовой плате с прикрепленной оснасткой. Для полной оценки целостности сигнала необходимо некоторое последующее выделение и анализ.
Испытания по контролю импеданса — это область, в которой вы должны использовать информацию и опыт вашего производителя, прежде чем создавать свой проект. Если вы запросите услугу контроля импеданса для производства вашего заказа, производитель сможет убедиться, что набор имеющихся у него материалов соответствует вашим требованиям по импедансу. Просто убедитесь, что дали четкие указания производителю, например в ваших примечаниях к изготовлению.
Стресс-тестирование печатных плат
В приведенный выше список включены фундаментальные испытания, необходимые для обеспечения успешного изготовления и выявления дефектов. В дополнение к основным испытаниям, перечисленным выше, вашей плате, возможно, потребуется пройти более строгие испытания, которые предназначены для проверки печатной платы под максимальной нагрузкой.
После того как печатная плата прошла сборку, ее можно подвергнуть серии стресс-тестов, чтобы убедиться, что она соответствует максимальным требованиям к производительности и надежности. Стресс-тестирование печатных плат направлено на оценку долгосрочной и краткосрочной надежности при идеализированных условиях окружающей среды.
Не все платы должны проходить такой набор тестов, выполняемых производителем. Для быстрых запусков прототипов эти испытания обычно не проводятся, в том числе производителями. Вместо этого пустая плата и готовая сборка могут быть оценены по стандартам надежности с помощью базовых процедур проверки.
- Испытания на вибрацию, например в соответствии со стандартами для военной и аэрокосмической отраслей
- Испытания на пожарную безопасность NEMA/NFPA/FAA
- Испытания на тепловой удар
- Испытания на воздействие окружающей среды
- Испытания по технике безопасности
- Любые другие специальные испытания для данного продукта/отрасли (IEC, ISO и т.д.)
Если ваш производитель не может выполнить такие сложные испытания, существуют специализированные испытательные компании, которые проведут аттестацию новых продуктов с использованием комплексной методологии и выполнят серию испытаний на заказ.
Испытания по технике безопасности и электрические стресс-тесты обычно являются наиболее важными при разработке потребительских или коммерческих продуктов, поскольку они обеспечивают базовые требования к надежности. Для продуктов в таких областях, как медицина, автомобилестроение или авиакосмическая промышленность, будут применяться гораздо более строгие стандарты как в отношении класса по IPC, так и других отраслевых стандартов (SAE, MIL-STD и т. д.).
Надежность и анализ отказов печатных плат
Что входит в анализ надежности и понимание основных причин отказа? Если плата подвергнута стрессовой нагрузке, приводящей к отказу, или она просто не прошла испытания, перечисленные выше, необходимо провести исследование, чтобы определить основную причину отказа.
В первую очередь следует начать с функционального тестирования (см. ниже), чтобы определить, какие конкретные функции или возможности привели к отказу. Если вы начнете с этого, то сможете сузить круг до конкретного этапа проектирования, где, скорее всего, произошел сбой. В дополнение к электрическому тестированию платы часто используются микрошлифы, чтобы определить, какие конкретные точки конструкции могли выйти из строя, и определить точный механизм сбоя.
Вот несколько интересных примеров отказов, которые можно увидеть на микрошлифе. [Источник: Grosshardt, et al.] Если у вас есть доступ к приложениям для моделирования и большая вычислительная мощность, вы даже можете запускать моделирование нагрузок для количественной оценки таких вещей, как средняя наработка на отказ, точное местоположение и типы механических отказов, вызванных термическим воздействием, а также процедуры исследования конструкции, чтобы определить, как должен измениться процесс проектирования или изготовления.
Когда обнаруживается сбой и выясняется, что он произошел за рамками нормальных ожидаемых условий эксплуатации, вы можете считать это успехом в той мере, в которой конструкция соответствует вашим стандартам проектирования и надежности. Ни одна конструкция не является идеальной, поэтому не удивляйтесь, если в конечном итоге она выйдет из строя под действием экстремальных нагрузок.
Цель состоит в том, чтобы определить, может ли конструкция надежно работать при некоторых разумных ожидаемых условиях, возникающих во время ее использования. Для решения этой конкретной задачи были разработаны стандарты надежности, и соответствие этим стандартам при разработке плат является первым шагом в обеспечении надежности вашего продукта.
Типовые испытания
Прежде чем подвергать вашу плату серии испытаний, убедитесь, что ваша разработка производится с учетом стандартов надежности и безопасности. Конкретные аспекты конструкции, определяющие надежность, регулируются некоторыми стандартами IPC:
- IPC-6011 Общие технические условия для печатных плат
- IPC-6012D Типовые испытания и технические условия для жестких печатных плат
- IPC-6013D Типовые испытания и технические условия для гибких/гибко-жестких печатных плат
Эти стандарты предоставляют конкретные рекомендации и допуски по размерам, которым должна соответствовать производимая плата. Для ясности следует подчеркнуть, что в рекомендациях не указываются конкретные размеры контактных площадок, проводников, отверстий или других объектов, которым должна соответствовать плата.
Однако они определяют набор минимальных критериев, которым должна соответствовать производимая плата каждого из классов продуктов согласно IPC. В зависимости от допусков производителя на изготовление и класса продукта могут быть определены конкретные целевые размеры, которым должна соответствовать изготовленная плата. Типичным примером являются пояски металлизации для устройств класса III по стандарту IPC 6012.
Функциональное тестирование печатных плат
Функциональное тестирование электроники включает в себя ряд возможных испытаний, многие из которых направлены на то, чтобы убедиться, что продукт обеспечивает желаемую надежность в работе конечного пользователя и выполняет функции, которые были предусмотрены в конструкции.
Это ответственность группы разработчиков на этапе создания прототипа, а не самого производителя. Помните, что задача производителя состоит в том, чтобы предоставить вам печатную плату, которая по электрическим характеристикам соответствует тем проектным данным, которые вы ему предоставляете, обычно в его обязанности не входит выполнение функциональной проверки, если вы не можете помочь автоматизировать проведение такого тестирования.
В случае, если проект не дает ожидаемых результатов при функциональном тестировании, разработчик должен устранить ошибки и отладить процесс проектирования, определив проблему. Разработчику или инженеру-испытателю может потребоваться вручную провести некоторые электрические измерения, поэкспериментировать с прошивкой и проследить проблемы в конструкции, чтобы определить причины всех дефектов.
Как только они будут найдены, они могут быть рассмотрены в следующей редакции проекта и, в идеале, могут быть включены в качестве требований к испытаниям по мере увеличения объемов производства продукта.
Если вы переходите к большему объему производства, а функциональность или соответствие вашего продукта стандартам требует прохождения определенных электрических, тепловых или механических испытаний, вы должны сказать об этом своему производителю, разработать процедуры испытаний внутри компании или заключить договор на оказание этих услуг со сторонней испытательной фирмой.
Поговорите с ними заранее, чтобы убедиться, что они понимают, что вам нужно, и что у них есть возможности автоматизировать эти испытания для обеспечения качества продукции. Выполнение этих задач требует времени на дополнительную подготовку, но в результате вы станете более уверенными, зная, что в процессе испытаний предусмотрено обнаружение большинства возможных проблем.
Лучшие инструменты проектирования печатных плат в Altium Designer дают вам все необходимое для определения требований к процессам испытаний платы вашего продукта. Когда вы будете готовы направить свой проект в производство, вы можете легко передать проектные данные производителю с помощью платформы Altium 365. Altium 365 и Altium Designer предоставляют все необходимое для выполнения проверки проекта, передачи требований к испытаниям, а так же инструмент обмена сообщениями об изменениях в конструкции с сохранением истории.
Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня.
Контроль импеданса на печатной плате
Мы поставляем печатные платы с контролем волнового сопротивления (импеданса) проводников и дифференциальных пар. Стандартный допуск на волновое сопротивление проводника составляет ±10%, по особому заказу возможно обеспечение более жесткого допуска – до ±5%.
Все больше электронных устройств сегодня имеют дело с высокими скоростями передачи информации. Это требует применения печатных плат с контролируемым импедансом – для предотвращения искажений сигнала при передаче по проводникам. Проводник на печатной плате – это уже не просто дорожка, связывающая контактные площадки и переходные отверстия, а скорее линия передачи , которая передает сигнал на высоких скоростях с малыми потерями формы, амплитуды и скорости.
Контролируемый импеданс поднимает на новый уровень сам процесс проектирования, выбора материала, структуры, а также процесс производства печатных плат. Даже диэлектрические свойства паяльной маски могут повлиять на значение волнового сопротивления.
Как сделать заказ с контролем волнового сопротивления
В конструкторской документации на печатную плату разработчик должен указать, в каких слоях имеются проводники (или дифференциальные пары) с контролем импеданса, а в каких слоях — опорные планы земли и питания. Задача разработчика — провести предварительный расчет структуры печатной платы и спроектировать ее с учетом рассчитанных значений ширины проводника в заданных слоях.
При получении заказа с контролем импеданса мы проводим моделирование, чтобы проверить, что результирующие значения импедансов действительно попадут в заданный допуск ±10% . Если значения, рассчитанные заказчиком, не совпадут с результатами моделирования, мы запрашиваем разрешения заказчика, чтобы провести небольшие корректировки структуры или ширины проводников для более точного обеспечения заданного импеданса, с учетом компенсации подтравов и допусков металлизации на производстве.
Чрезвычайно важен выбор материала — тип стеклянной сетки, содержание смолы и ее текучесть влияют на диэлектрическую проницаемость, которая определяет величину импеданса. При повторном изготовлении плат особенно важно использовать такие же материалы, как при первом запуске.
Измерение импеданса при изготовлении печатных плат
Платы с контролем импеданса требуют выполнения измерений (методом рефлектометрии), которые подтверждают, что значения волновых сопротивлений находятся в пределах допуска. Для этого на специальном тестовом купоне, который располагается на заводской заготовке, выполняются отрезки проводников заданной ширины и в заданных слоях. Используя специальный прибор, мы проверяем соответствие волновых сопротивлений на купоне для каждой заготовке, тем самым получая подтверждение тому, что печатные платы на этой заготовке выполнены с корректным импедансом в пределах допуска. Заготовки с некорректным импедансом отбраковываются. Вместе с изготовленными печатными платами мы предоставляем отчет о контроле импеданса (Impedance Test Report). Заметим, что мы не несем ответственности за возможные некорректности в дизайне самой печатной платы, и не измеряем волновое сопротивление проводников собственно на каждой плате.
Параметры материала
Типовой материал FR4 для изготовления печатных плат имеет значение диэлектрической постоянной (Er) около 4,5. 4,7 на низкой частоте (1 МГц), но с ростом частоты до 1 ГГц оно линейно уменьшается до Er= 3,8. 4,2 >(в зависимости от марки материала и вида плетения). Реальные значения Er могут колебаться в пределах ±25%. Существуют специальные, «нормированные» виды материала FR4, у которых значение Er нормируется и гарантируется изготовителем, и они ненамного дороже обычных, но производители печатных плат не обязаны использовать «нормированные» виды FR4, если это специально не указано в заказе на печатную плату.
При расчете импеданса линий на печатной плате надо брать значение диэлектрической постоянной для максимальной частоты спектра сигнала. При работе с цифровыми сигналами длительность фронта составляет единицы наносекунд, что соответствует максимальным частотам порядка 1 ГГц и диэлектрической проницаемости порядка 4,0 .
Толщина диэлектрика
Производители печатных плат работают с диэлектриками стандартных толщин («препреги» и «ядра»), и их толщина в каждом слое должна быть определена перед запуском платы в производство, с учетом допусков на толщину (около ±10%). Разработчик печатной платы не должен подбирать конкретную комбинацию ядер и препрегов. Достаточно указать требуемую общую толщину диэлектрика в нужных слоях, и мы сами подберем нужные материалы.
Высокочастотные материалы
Для сигналов частотой выше 1 ГГц может оказаться необходимым применение более высокочастотных материалов, с лучшей стабильностью и другими диэлектрическими параметрами (такими как Duroid фирмы Rogers и т. д.).