რა არის წინაღობის კონტროლი და როგორ განვახორციელოთ წინაღობის კონტროლი დაბეჭდილ დაფებზე

თანამედროვე ელექტრონული მოწყობილობების დიზაინში, დაბეჭდილი დაფები (PCB) გადამწყვეტ როლს თამაშობენ. დაბეჭდილი დაფების მუშაობა პირდაპირ გავლენას ახდენს მთელი ელექტრონული სისტემის სტაბილურობაზე, საიმედოობასა და გადაცემის ეფექტურობაზე. მათ შორის, წინაღობის კონტროლი დაბეჭდილი დაფის დიზაინის მნიშვნელოვანი ნაწილია. რადგან თანამედროვე ციფრულ წრედებს აქვთ სიგნალის გადაცემის უფრო მოკლე დრო და უფრო მაღალი ტაქტური სიხშირეები, დაბეჭდილი დაფის ტრასები აღარ არის მარტივი შეერთებები, არამედ შესაბამისად, გადამცემი ხაზები. დაბეჭდილი დაფის წინაღობის კონტროლი გულისხმობს გადაცემის სიჩქარისა და დაბეჭდილ დაფაზე სიგნალების წინაღობის შესაბამისობის კონტროლს სიგნალის გადაცემის ხარისხისა და სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად.

პრაქტიკულ სიტუაციებში, აუცილებელია კვალის წინაღობის კონტროლი, როდესაც ციფრული ზღვრული სიჩქარე 1 ns-ზე მეტია ან ანალოგური სიხშირე 300 MHz-ს აღემატება. PCB კვალის ერთ-ერთი მთავარი პარამეტრია მისი დამახასიათებელი წინაღობა (ანუ ძაბვისა და დენის თანაფარდობა, როდესაც ტალღა გადაიცემა სიგნალის გადაცემის ხაზის გასწვრივ). PCB-ების მავთულების დამახასიათებელი წინაღობა PCB დიზაინის მნიშვნელოვანი მაჩვენებელია. განსაკუთრებით მაღალი სიხშირის PCB დიზაინში, აუცილებელია გავითვალისწინოთ, შეესაბამება თუ არა მავთულის დამახასიათებელი წინაღობა მოწყობილობის ან სიგნალის საჭირო დამახასიათებელ წინაღობას ან შეესაბამება თუ არა მას. ეს მოიცავს 2 კონცეფციას: წინაღობის კონტროლი და წინაღობის შესაბამისობა. ეს სტატია ფოკუსირებულია წინაღობის კონტროლისა და დასტის დიზაინის საკითხებზე.

დაბეჭდილი დაფის გამტარებში სხვადასხვა სიგნალი გადაიცემა. მისი გადაცემის სიჩქარის გასაუმჯობესებლად, მისი სიხშირე უნდა გაიზარდოს. თავად წრედის წინაღობის მნიშვნელობა იცვლება ისეთი ფაქტორების გამო, როგორიცაა გრავირება, ფენის სისქე და მავთულის სიგანე და ა.შ., რაც იწვევს სიგნალის დამახინჯებას. ამიტომ, მაღალსიჩქარიან დაბეჭდილ დაფებზე გამტარების წინაღობის მნიშვნელობა უნდა კონტროლდებოდეს გარკვეულ დიაპაზონში, რომელსაც „წინაღობის კონტროლი“ ეწოდება.

დაბეჭდილი მიკროსქემის (PCB) ტრაექტორიების წინაღობა განისაზღვრება მათი ინდუქციური და ტევადობითი ინდუქციურობით, წინაღობითა და გამტარობის კოეფიციენტით. დაბეჭდილი მიკროსქემის (PCB) გაყვანილობის წინაღობაზე მოქმედი ფაქტორები ძირითადად მოიცავს სპილენძის მავთულის სიგანეს და სისქეს, დიელექტრიკულ მუდმივას და გარემოს სისქეს, შედუღების ბალიშის სისქეს, დამიწების მავთულის გზას და გაყვანილობის გარშემო არსებულ გაყვანილობას და ა.შ. დაბეჭდილი მიკროსქემის წინაღობის დიაპაზონი 25-დან 120 ომამდეა.

პრაქტიკაში, PCB გადამცემი ხაზები, როგორც წესი, შედგება მავთულის კვალის, ერთი ან მეტი საცნობარო ფენის და საიზოლაციო მასალებისგან. კვალი და ფენა წარმოადგენს მართვის წინაღობას. PCB-ები ხშირად მრავალშრიან სტრუქტურებს იყენებენ და წინაღობის კონტროლი ასევე შეიძლება სხვადასხვა გზით იქნას აგებული. თუმცა, გამოყენებული მეთოდის მიუხედავად, წინაღობის მნიშვნელობა განისაზღვრება მისი ფიზიკური სტრუქტურით და საიზოლაციო მასალის ელექტრონული თვისებებით:

მიკროზოლი არის მავთულის ზოლი, რომელიც ეხება გადამცემ ხაზს, რომლის მხოლოდ ერთ მხარეს აქვს საცნობარო სიბრტყე. ზედა და გვერდითი ნაწილები ჰაერშია გამოსახული (ან დაფარულია საფარით) და განლაგებულია იზოლაციის მუდმივა Er დაბეჭდილი მიკროსქემის ზედაპირზე, სადაც დენის ან დამიწების ფენა საცნობაროა. როგორც ნაჩვენებია შემდეგ ფიგურაში:

შენიშვნა: ფაქტობრივი დაბეჭდილი დაფების წარმოებისას, დაბეჭდილი დაფების ქარხანა, როგორც წესი, მის ზედაპირზე მწვანე მელნის ფენას აფენს. ამიტომ, ფაქტობრივი წინაღობის გამოთვლებში, ზედაპირული მიკროზოლური ხაზებისთვის, როგორც წესი, გამოიყენება შემდეგ ფიგურაზე ნაჩვენები მოდელი.

სტრიპლაინი არის მავთულის ზოლი, რომელიც მოთავსებულია 2 საცნობარო სიბრტყეს შორის, როგორც ეს ნაჩვენებია შემდეგ ფიგურაზე. H1 და H2-ით წარმოდგენილი დიელექტრიკის დიელექტრიკული მუდმივები შეიძლება განსხვავებული იყოს.

ზემოთ მოყვანილი 2 შემთხვევა მიკროზოლებისა და ზოლიანი ხაზების ტიპური დემონსტრირებაა, რომლებიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ჩაშენებული ნივთების ინტერნეტის ინტელექტუალური აპარატურისა და სხვა სისტემების შესასწავლად. არსებობს მიკროზოლებისა და ზოლიანი ხაზების მრავალი სპეციფიკური ტიპი, როგორიცაა დაფარული მიკროზოლები, რომლებიც დაკავშირებულია დაბეჭდილი დაფების სპეციფიკურ დასტის სტრუქტურასთან.

დამახასიათებელი წინაღობის გამოსათვლელად გამოყენებული განტოლება მოითხოვს რთულ მათემატიკურ გამოთვლებს, რომლებიც ჩვეულებრივ ველის ამოხსნის მეთოდების გამოყენებით ხორციელდება, მათ შორის სასაზღვრო ელემენტების ანალიზით. ამიტომ, სპეციალიზებული წინაღობის გამოთვლის პროგრამული უზრუნველყოფის SI9000 გამოყენებით, ჩვენ მხოლოდ დამახასიათებელი წინაღობის პარამეტრების კონტროლი გვჭირდება:

საიზოლაციო ფენის დიელექტრული მუდმივა Er, გაყვანილობის სიგანე W1 და W2 (ტრაპეციული), გაყვანილობის სისქე T და საიზოლაციო ფენის სისქე H.

W – დაგეგმილი ხაზის სიგანე

A – გრავირებით გამოწვეული დანაკარგი (იხილეთ ზემოთ მოცემული ცხრილი)

ხაზის ზედა და ქვედა ნაწილებს შორის არათანაბარი სიგანის მიზეზი ის არის, რომ დაბეჭდილი პლატფორმების წარმოების პროცესში კოროზია ზემოდან ქვემომდე ხდება, რაც იწვევს კოროზირებული ხაზის ტრაპეციულ ფორმას.

ხაზის სისქე T-სა და ამ ფენის სპილენძის სისქეს შორის შესაბამისი დამოკიდებულებაა შემდეგი:

* იმის გამო, რომ შედუღების ნიღბის სისქის წინაღობაზე გავლენა მცირეა, იგი 0.5 მილიმეტრის ტოლი მუდმივი მნიშვნელობის ტოლია.

ამ პარამეტრების კონტროლით შეგვიძლია მივაღწიოთ წინაღობის კონტროლს. Anwei-ს ქვედა PCB-ს მაგალითის სახით ავხსნით წინაღობის კონტროლის ეტაპებს და SI9000-ის გამოყენებას:

მეორე ფენა არის დამიწების სიბრტყე, მეხუთე ფენა არის კვების სიბრტყე, ხოლო დარჩენილი ფენები არის სიგნალის ფენები.

განმარტება: შუალედურ ფენებს შორის დიელექტრიკია FR-4, დიელექტრიკული მუდმივით 4.2; ზედა და ქვედა ფენები შიშველი ფენებია, რომლებიც პირდაპირ კონტაქტში შედიან ჰაერთან, ხოლო ჰაერის დიელექტრიკული მუდმივია 1.

დაბეჭდილი დაფების დიზაინერებს შეუძლიათ სრულად გამოიყენონ დაბეჭდილი დაფების იერარქიული სტრუქტურა წინაღობის კონტროლის მისაღწევად. სხვადასხვა სიგნალის ფენების სხვადასხვა პოზიციაზე განთავსებით, შესაძლებელია ფენებისშორისი ტევადობისა და ინდუქციურობის ეფექტურად კონტროლი. ზოგადად, შიდა ფენა იყენებს მაღალი წინაღობის მასალებს, ხოლო გარე ფენა - დაბალი წინაღობის მასალებს, რათა შემცირდეს არეკვლისა და ჯვარედინი საუბრის ზემოქმედება.

დიფერენციალური სიგნალის გადაცემის ხაზები უზრუნველყოფს უკეთეს ანტი-ჩარევის უნარს და ამცირებს ჯვარედინი საუბრის რისკს. დიფერენციალური სიგნალის გადაცემის ხაზები წარმოადგენს პარალელური მავთულების წყვილს საპირისპირო ძაბვით, მაგრამ თანაბარი ზომებით, რაც უზრუნველყოფს უკეთეს სიგნალის მთლიანობას და ანტი-ჩარევის უნარს. დიფერენციალური სიგნალის გადაცემის ხაზების წინაღობა, როგორც წესი, კონტროლდება ხაზების დაშორების, სიგანისა და დამიწების სიბრტყის შერჩევით.

წინაღობის გასაკონტროლებლად ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას გეომეტრიული პარამეტრები, როგორიცაა PCB ხაზის სიგანე, დაშორება და განლაგება. ჩვეულებრივი მიკროზოლიანი ხაზებისთვის, ხაზის უფრო სქელი სიგანე და უფრო დიდი დაშორება ამცირებს წინაღობას. კოაქსიალური ხაზებისთვის, შიდა ხაზის უფრო მცირე დიამეტრებმა და გარე ხაზის უფრო დიდმა რადიუსმა შეიძლება გაზარდოს წინაღობა. გაყვანილობის გეომეტრიის შერჩევა მოითხოვს ოპტიმიზაციას კონკრეტული წინაღობის მოთხოვნებისა და სიგნალის სიხშირის საფუძველზე.

PCB მასალების დიელექტრული მუდმივა ასევე მოქმედებს წინაღობაზე. სტაბილური დიელექტრიკული თვისებების მქონე მასალების შერჩევა წინაღობის კონტროლის ნაწილია. მაღალი სიხშირის და მაღალსიჩქარიანი გამოყენებისას, ხშირად გამოყენებულ მასალებს შორისაა FR-4 (მინის ბოჭკოვანი არმირებული დაფა), PTFE (პოლიტეტრაფტორეთილენი) და RF (რადიოსიხშირული) ლამინატები.

დაბეჭდილი მიკროსქემის დიზაინის შექმნამდე, სიმულაციისა და დიზაინის ინსტრუმენტების გამოყენება დიზაინერებს დაეხმარება სწრაფად და ზუსტად გადაამოწმონ და ოპტიმიზაცია გაუკეთონ წინაღობას. ამ ხელსაწყოებს შეუძლიათ წრედის ქცევის, სიგნალის გადაცემის დანაკარგების და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებების სიმულირება, რათა დადგინდეს დაბეჭდილი მიკროსქემის დიზაინის ოპტიმალური პარამეტრები. ზოგიერთი გავრცელებული სიმულაციის ინსტრუმენტი მოიცავს CST Studio Suite-ს, HyperLynx-ს და ADS-ს.

PCB წინაღობის კონტროლი გადამწყვეტ როლს ასრულებს მაღალსიჩქარიან ციფრულ და ანალოგურ სქემებში. გონივრული იერარქიული დიზაინის, დიფერენციალური სიგნალის გადაცემის ხაზების გამოყენების, გაყვანილობის გეომეტრიის კონტროლის, შესაბამისი PCB მასალების შერჩევისა და სიმულაციისა და დიზაინის ინსტრუმენტების გამოყენების გზით, შესაძლებელია ზუსტი წინაღობის კონტროლის მიღწევა, რითაც გაუმჯობესდება წრედის მუშაობა და სიგნალის მთლიანობა.