Привет, Хабр! Все мы замечаем, как с каждым годом наши электронные устройства работают все быстрее и быстрее, передают все бо́льшие объемы данных от микросхемы к микросхеме. Это приводит к необходимости рассматривать волновые процессы при прохождении сигналов и вынуждает нас использовать высокоскоростные материалы при изготовлении печатных плат для такой электроники. 

Сегодня мы немного разберемся, как организовано производство и контроль заданных волновых параметров, а также поговорим о том, какие материалы предлагаются для изготовления таких печатных плат.

Почему важно использовать специализированные материалы?

Разработка высокоскоростных устройств — это дорогостоящий процесс: от комплектации и проектирования до монтажа. Стоимость печатных плат с применением специализированных материалов составляет всего ~1% от стоимости всего устройства, однако именно на платах лежит наибольшая ответственность. То есть выбор материалов платы критически важен.

Печатная плата — основа электроники. Качественный материал обеспечивает:

• бесперебойную работу устройства;

• надежную передачу сигналов.

Поэтому в таких устройствах применят более дорогие скоростные материалы, которые обеспечат уверенность в работе изделия. Экономить на материалах нецелесообразно, так как требования к качеству и времени работы крайне высоки.

Стоит отметить, что закладывать специализированный материал в устройства, где нет высокой скорости передачи данных нет необходимости, т.к. это экономически не оправдано.

Почему не стандартный FR-4 или PTFE-материалы?

При использовании FR-4 возникает вопрос о влиянии неоднородности стекловолоконного наполнителя на волновые параметры. Из-за особенностей плетения стеклоткани плотность распределения волокон может варьироваться: в одних участках материал плотнее, в других — образуются «окна». Это приводит к неравномерности электромагнитного поля и ухудшению характеристик сигнала. Особенно остро проблема проявляется при изменении температуры. 

FR-4 плохо подходит для использования на высоких частотах, где критичны стабильность диэлектрической проницаемости и потери сигнала. В результате инженеры вынуждены искать альтернативы.

Тут можно вспомнить про PTFE-материалы, которые обладают лучшими высокочастотными свойствами. Но переход на них — другая крайность, т.к. их применение в цифровых платах ограничено рядом факторов:

• Многослойность и высокая плотность компоновки. Цифровые устройства требуют узких проводников, минимальных зазоров и высокой интеграции компонентов.

• Технологические сложности. Производство плат на основе СВЧ-материалов требует специализированного оборудования, что увеличивает себестоимость.

• Несовместимость с высокоскоростными цифровыми интерфейсами. Такие материалы не подходят для серверов или устройств с высокоскоростной передачей данных из-за особенностей распространения сигнала.

Поэтому есть специально разработанные материалы — HighSpeed. Они сочетают в себе стабильность параметров, технологичность производства и приемлемую стоимость. Их использование позволяет решить указанные выше проблемы, обеспечивая надежную работу в условиях высокой частоты и плотности монтажа.

Когда же стоит применять такой материал? Критические точки перехода при скорости:

• до 100 МГц — еще приемлем FR-4;

• от 100 Мгц — стоит задуматься о применении HighSpeed материалов;

• от 500-1000 Мгц — однозначно необходимо применять специализированный материал.

Выбор материала не спасет от ошибок проектирования

Даже самый лучший материал не компенсирует ошибки проектирования. Когда мы говорим о выборе нужного материалы, то подразумеваем, что соблюден комплексный подход разработки, т.к. для создания надежного устройства также необходимы:

• оптимальное проектирование;

• правильный выбор компонентой базы;

• качественный монтаж.

Подбирая материал диэлектрика, стоит обращать внимание и на толщину меди, т.к. на внешних слоях толщина увеличивается за счет дополнительной металлизации, а на внешних, наоборот, уменьшается в ходе подготовки поверхности.

Какую финишную медь брать для расчета импеданса?

При базовой толщине меди 18 мкм:

• на внешних слоях будет не менее 38,4 мкм, для расчета обычно используется 45 мкм;

• на внутренних слоях будет не менее 11,4 мкм, для расчета — 15 мкм.

При базовой толщине меди 35 мкм:

• на внешних слоях будет не менее 52,9 мкм, для расчета обычно используется 55-60 мкм; 

• на внутренних слоях меди будет не менее 24,9 мкм, для расчета — 30 мкм.

Тут стоит отметить, что мы по умолчанию всегда делаем металиизацию по IPC класс 3.

Помимо диэлектрика и меди стоит помнить еще про паяльную маску, которая тоже оказывает свое воздействие.

На этапе технологической подготовке будет помощь в таких расчетах. По нашей практике мы всегда пересчитываем значения и обязательно делаем предложения по стеку и коррекции проводников с учетом всех технологических операций конкретного производства.

Как избежать популярные ошибки в платах с контролем импеданса при проектировании:

• в полигонах опорной земли не должно быть вырезов, щелей;

• ширина линии должны быть постоянной;

• недопустимы пересечения с линиями на соседних слоях;

• зазор до компланарной земли должен быть постоянным;

• зазор до полигонов земли (в случае некомпланарной линии) должен быть больше, чем толщина диэлектрика до опорной земли минимум в 2 раза;

• недопустимы раздвоения сигнальной линии. 

По большому счету мы должны обеспечить однородность материалов, чтобы линия соответствовала расчетам. Эти рекомендации при проектировании стоит помнить, т.к материал от них не спасет.

При проектировании важно еще учитывать:

• Количество прессований – не рекомендуется более 3 уровней.

• Температурное расширение – этот параметр критичен для многослойных структур.

Какие материалы использовать?

Материалы HighSpeed можно разделить на три основные категории по уровню потерь:

• Mid-Loss;

• Low-Loss;

• Ultra-Low-Loss.

Главное достоинство перечисленных материалов — их совместимость со стандартными процессами производства FR-4. Они основаны на эпоксидной смоле, армированной стеклотканью.

В чем же тогда их отличие от стандартного FR-4? В первую очередь стекловолокном.

Свойства значительно улучшены за счет:

1. Контроля плетения и структуры — уменьшается неоднородность диэлектрика.

2. Модифицированного состава смолы – добавки снижают диэлектрические потери.

В отличие от обычного FR-4, где волновые параметры не контролировали изначально, современные Low- и Ultra-Loss-материалы разрабатывали и производили с учетом требований к стабильности характеристик на высоких частотах. 

Какие материалы HighSpeed популярны в использовании?

Самым популярным решением является материал Megtron от компании Panasonic. 

Распространенными являются также материалы китайских компаний: Shengyi, ITEQ, TUC. Их ключевое преимущество в меньшей стоимости и большей доступности.

Особенно важно, что на материалы этих компаний есть полная документация в открытом доступе и на английском языке — там представлена исчерпывающая информация о волновых параметрах и структуре материала, которую необходимо учитывать при проектировании.

Отдельно стоит сказать про материалы от компании Isola: если они используются в проекте, то скорее всего их придется заменить. Когда-то такие материалы использовали по умолчанию во многих проектах, т.к. компания активно проявляла себя на российском рынке в самом начале использования HighSpeed материалов, но сейчас его использование никак не обосновано: слишком дорого и долго.

Какую категорию HighSpeed материалов использовать?

Оптимальный компромисс для большинства проектов — это использование Low-Loss материалов, которые занимают промежуточное положение между Mid-Loss (бюджетные, но с высокими потерями) и Ultra-Low-Loss (дорогие, но с минимальными искажениями сигнала). При этом вы получите:

• хорошие волновые параметры;

• широкую распространенность;

• доступную цену.

Ниже представлены сравнительные таблицы конкретных материалов каждой категории.

О замене материалов

Нужно помнить, что большинство материалов из одной категории могут быть взаимозаменяемыми при относительно небольших корректировках проекта, а возможно и совсем без них. Это стандартная практика при производстве плат.

Производители, как правило, обладают полной информацией о доступных материалах и их аналогах, которые сертифицированы и готовы к использованию. Но зачастую главная проблема заключается не в поиске замены, а в согласовании изменений с заказчиком.

Основная сложность – отсутствие оперативной связи с разработчиками устройства. Типичная ситуация:

1. Разработчик создает устройство, успешно тестирует прототип и передает его на серийное производство.

2. На этапе изготовления выясняется, что указанный материал недоступен.

3. Производитель готов предложить аналог, но не может оперативно согласовать замену, так как разработчик "недоступен".

Или, например, замена требует сложных бюрократических процедур.

В результате может вырасти сроки или затраты, возникают риски для качества.

Как мы писали в статье про DFM, при создании структуры платы лучше заранее предусмотреть возможные аналоги на этапе проектирования. А тесный контакт разработчиков с производителем на этапе подготовки производства поможет оперативно корректировать проект платы и его стек. По практике такой подход сильно ускоряет подготовку платы к производству. Мы всегда предлагаем выбор подходящих аналогов и возможные изменения в проект на согласование. А также стараемся выстраивать с заказчиком многовекторные отношения: качество общается с качеством, инженеры с инженерами, продажи с продажами и так далее. В таком случае получается и разговор на одном языке, и заказчик всегда может получить нужную ему информацию максимально быстро.

Какие перспективы развития таких материалов?

Следующий этап развития таких материалов – это Megtron 7, который постепенно вытесняет Megton 6. Его ключевые преимущества:

• Потери на уровне 0,002 – близко к PTFE материалам.

• Совместимость с обычными технологиями производства (эпоксидная смола + стеклоткань).

Уже сейчас можно разрабатывать прототипы на Megtron 7, готовясь к массовому переходу через 2–3 года.

Как контролируют волновые параметры на производстве?

С помощью тест-купона, который располагается на той же панели, где и изготавливаемые печатные платы.

В тест-купоне:

• параметры линии такие же, как на плате;

• проверка импеданса проходит для каждого слоя отдельно;

• удобное подключение к опорному слою;

• удобное подключение к тестируемой линии;

• линия длиной 150 мм для получения более точных значений.

Тест-купон позволяет проводить быстрое и удобное измерение откалиброванным тестерами.

Для оперативного устранения ошибок сначала производится тестовая партия плат с тест-купоном. Далее уже строгий контроль производства позволяет обеспечить повторяемость и отсутствие отклонений независимо от количества. 

Купоны имитируют плоскости питания, содержат контролируемые проводники и проходят те же процессы изготовления, что и сама плата. Измеренные на тестовом купоне значения импеданса в последующем заносятся в производственные отчеты (СОС report), которые доступны вместе с поставкой плат.

Важно помнить, что параметры для такого контроля на начальном этапе передают производителю вместе с файлами Gerber для изготовления платы.

Для нахождения заданных для контроля импеданса проводников обязательно нужно указать:

• ширину контролируемых проводников;

• зазоры между этими проводниками (для дифференциальной пары);

• в каком слое находятся контролируемые проводники;

• требуемое волновое сопротивление с допуском.

Желательно также указать: 

• расстояние до опорного слоя, земли; 

• тип импеданса (особенно, если требуется контроль копланарных линий).

Заключение

Высокоскоростные материалы с каждым годом используют все больше, т.к. современные тенденции развития электроники все больше к этому подталкивают. Выбор таких материалов уже сейчас довольно широк, но к его выбору нужно подойти осознанно. Лучше всего это делать еще на начальном этапе проектирования совместно с производителем печатных плат, у которого есть полная информация как по предпочтительным материалам, так и их аналогам.

Спасибо, что прочитали!

Еще у нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные технические вопросы, делимся экспертизой в производстве и проектировании. Выкладываем полезные материалы и руководства. Отвечаем на вопросы в комментариях. Некоторые темы, которые уже обсуждали:

• классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

• концепция DFM при проектировании плат;

• проектирование HDI-плат и их особенности;

• финишные покрытия;

• возможности производств в целом.

Подписывайтесь, будет интересно.