Dengan evolusi elektronik moden ke arah frekuensi dan kadar data yang lebih tinggi, integriti isyarat merupakan salah satu isu yang telah menjadi kebimbangan utama dalam reka bentuk danperhimpunanpapan litar bercetak (PCB). Penghantaran yang boleh dipercayai pada beberapa GHz diperlukan untuk aplikasi seperti komunikasi 5G, pelayan AI, radar automotif dan rangkaian berkelajuan tinggi. Dalam persekitaran sedemikian, ketidaksempurnaan konduktor yang sangat kecil boleh memberi kesan yang ketara terhadap prestasi elektrik keseluruhan.
Kekasaran permukaan PCB ialah satu faktor penting yang sering diabaikan. Permukaan kuprum yang kasar meningkatkan kekuatan ikatan semasa fabrikasi, tetapi juga boleh menyebabkan kehilangan isyarat dan prestasi kelajuan tinggi yang lemah semasa digunakan.
Apakah Kekasaran Permukaan PCB?
Kekasaran permukaan jejak kuprum dan satah rujukan ialah pengasaran mikroskopik yang berlaku pada permukaan komponen kuprum. Tiada permukaan kerajang kuprum yang 100% licin. Sebaliknya, ia mempunyai puncak dan lembah yang kecil serta struktur tidak teratur yang terhasil semasa proses pembuatan kerajang kuprum, rawatan kimia, etsa, dan laminasi.
Semasa pembuatan PCB, kekasaran tertentu sengaja ditambah untuk meningkatkan kekuatan ikatan antara tembaga dan bahan dielektrik. Permukaan yang kasar menawarkan sifat lekatan mekanikal yang lebih tinggi, memastikanPCB berbilang lapisankebolehpercayaan struktur dalam proses penggerudian, pematerian dan kitaran terma.
Tetapi, dalam aplikasi frekuensi tinggi, kekasaran akan memberi kesan negatif terhadap prestasi elektrik.
Untuk frekuensi yang lebih rendah, arus elektrik boleh mengalir merentasi sebahagian besar keratan rentas konduktor. Padafrekuensi tinggiarus dipaksa mengalir berhampiran permukaan konduktor disebabkan oleh kesan kulit. Oleh itu, kualiti permukaan tembaga adalah sangat penting. Apabila arus elektrik mengalir di atas permukaan yang kasar, terdapat panjang laluan elektrik dan rintangan yang lebih besar, yang menyebabkan kehilangan konduktor dan menurunkan kecekapan isyarat.
Kepentingan Kekasaran Permukaan dalam PCB Kelajuan Tinggi
Kekasaran tembaga menjadi faktor yang lebih besar apabila frekuensi isyarat meningkat. Keadaan permukaan konduktor secara langsung mempengaruhi keutuhan isyarat dalam sistem digital berkelajuan tinggi dan RF.
Kehilangan Sisipan Meningkat
Antara yang paling ketara ialah peningkatan kehilangan sisipan disebabkan oleh kekasaran permukaan. Permukaan kuprum yang licin membolehkan arus frekuensi tinggi melalui laluan konduktif dalam bahan dengan rintangan yang rendah. Arus frekuensi tinggi akan mengambil laluan rintangan rendah apabila permukaan kuprum licin.
Rintangan tambahan ini memberikan pelemahan yang lebih besar apabila isyarat merambat melalui PCB. Dalam sistem yang beroperasi pada frekuensi melebihi beberapa GHz, kekasaran konduktor mungkin menjadi komponen yang ketara dalam keseluruhan kehilangan penghantaran.
Jika kerugiannya terlalu tinggi:
Pembukaan rajah mata yang dikurangkan
Nisbah isyarat-ke-hingar yang lebih rendah
Kadar ralat bit (BER) peranti yang lebih tinggi
Kebolehpercayaan komunikasi yang berkurangan
Hal ini menjadi semakin penting dengan kadar data melebihi 25G bps dan frekuensi lebih tinggi daripada 10 GHz.
Banyak reka bentuk PCB yang lebih baharu kini menggunakan foil kuprum profil sangat rendah (VLP) atau hiper-profil sangat rendah (HVLP) untuk meminimumkan kehilangan konduktor. Gred kuprum yang lebih licin digunakan untuk mengekalkan kualiti isyarat frekuensi tinggi.
Variasi Impedans dan Pantulan
Prestasi berkelajuan tinggi bagi sesebuah PCB bergantung pada impedans terkawal. Kekasaran permukaan talian transmisi boleh mengubah sifat elektromagnet permukaan dan boleh mengakibatkan variasi dalam impedans setempat.
Jika impedans tidak konsisten, pantulan isyarat boleh berlaku. Pantulan ini boleh mengakibatkan ketidaktepatan isyarat, ketidakstabilan pemasaan, herotan bentuk gelombang, dan deringan.
Penghalaan pasangan berbeza amat terdedah kepada ketakserasian impedans yang disebabkan oleh kekasaran. Jika permukaan konduktor bagi kedua-dua jejak tidak rata, ia akan menyebabkan herotan masa (skew) dan mengurangkan prestasi isyarat berbeza.
Peningkatan Hingar dan Jitter
Semakin tinggi kelajuan sistem, semakin mudah ia terdedah kepada hingar dan ralat pemasaan disebabkan oleh kehilangan pengalir yang lebih tinggi dan pantulan.
Kekasaran permukaan mungkin terlibat dalam:
Jitter deterministik yang lebih tinggi
Kepekaan gangguan silang yang meningkat
Kemerosotan corak mata
Margin masa dikurangkan
Kebolehpercayaan keseluruhan saluran yang lebih rendah
Untuk sistem berkelajuan tinggi moden, peningkatan kecil dalam kekasaran konduktor boleh menghasilkan kesan elektrik yang boleh diukur.
Bagaimana Proses Pemasangan Mempengaruhi Kekasaran Permukaan
Kualiti permukaan konduktor juga berkait rapat dengan pemasangan dan pembuatan PCB. Kualiti permukaan konduktor juga penting dalam proses pemasangan dan pembuatan PCB.
Rawatan Oksida
Untuk memastikan ikatan antara lapisan kuprum dan bahan prepreg, rawatan kuprum oksida dan kuprum perang tradisional sering digunakan. Rawatan ini bertujuan untuk mengasari permukaan kuprum supaya ia dapat melekat dengan lebih baik.
Walaupun ia diinginkan untuk kebolehpercayaan mekanikal, kehilangan konduktor pada frekuensi tinggi boleh meningkat dengan pengasaran yang berlebihan. Inilah teknologi yang direka untuk zaman moden bagi menggantikan oksida tanpa terlalu menjejaskan kesan elektrik, untuk mengekalkan kekuatan ikatan.
Kemasaan Permukaan
Kemas permukaan PCBbukan sahaja mempengaruhi kebolehsolderan, tetapi juga penting untuk sifat elektrik. Kemasan tipikal ialah ENIG (Nikel Pemendapan Kimia/Emas Celupan), perak celupan, OSP dan HASL.
Aplikasi berkelajuan tinggi mungkin memerlukan kemasan yang lebih licin seperti perak celup atau OSP yang membantu meminimumkan gangguan isyarat. Permukaan HASL boleh menghasilkan topografi tidak sekata yang boleh menjejaskan penghantaran frekuensi tinggi.
Penyolderan Alir Semula
Thepemasangan reflowmungkin menyebabkan perubahan kecil pada keadaan permukaan dan pengoksidaan tembaga. Untuk memastikan prestasi elektrik yang konsisten bagi kelompok pengeluaran yang berbeza, proses pembuatan yang stabil adalah penting.
Pemilihan Kerajang Tembaga Adalah Penting
Prestasi sesebuah PCB sangat bergantung pada jenis kerajang kuprum yang digunakan. Lazimnya, kuprum terlepas elektrod piawai mempunyai kekasaran permukaan dan kehilangan konduktor yang lebih tinggi, tetapi kerajang kuprum berprofil rendah lanjutan mempunyai permukaan yang licin dan pelemahan yang lebih rendah.
Dalam aplikasi moden, penggunaan tembaga VLP atau HVLP membantu meningkatkan integriti isyarat bagi banyak aplikasi PCB berkelajuan tinggi. Bahan-bahan ini digunakan secara meluas dalam pelayan, sistem RF, elektronik aeroangkasa dan peralatan komunikasi berteknologi tinggi.
Dengan setiap peningkatan frekuensi operasi, permukaan yang lebih licin dan pengurangan degradasi isyarat semakin menjadi satu keperluan bagi permukaan kuprum.
Mengurangkan Masalah Isyarat Disebabkan oleh Kekasaran
Beberapa teknik praktikal boleh digunakan untuk mengurangkan kesan kekasaran permukaan terhadap keutuhan isyarat bagi proses pemasangan PCB.
Untuk meningkatkan prestasi, pereka bentuk boleh melakukan perkara berikut:
Memilih kerajang kuprum profil rendah
Memilih kemasan permukaan yang lebih lembut
Mereka bentuk struktur susunan lapisan PCB secara optimum
Meminimumkan pengasaran berlebihan bahan kimia
Meningkatkan konsistensi fabrikasi
Mengambil manfaat daripada model simulasi keutuhan isyarat yang tepat.
Hasil daripada perisian simulasi EM yang canggih, terdapat model yang boleh digunakan untuk memasukkan kekasaran konduktor yang membolehkan jurutera menganggarkan kehilangan sisipan dengan lebih tepat sebelum pengeluaran bermula.
Kekasaran permukaan dalam PCB telah menjadi parameter penting dalam integriti isyarat berkelajuan tinggi dalam pemasangan dan fabrikasi. Permukaan kuprum yang kasar memberikan kebolehpercayaan pengikatan yang lebih tinggi, tetapi juga meningkatkan kehilangan konduktor, ketidakstabilan impedans, dan kemerosotan isyarat pada frekuensi tinggi.
Dengan kelajuan dan lebar jalur yang semakin meningkat bagi peranti elektronik, pereka PCB dikehendaki memastikan kebolehpercayaan mekanikal dan prestasi elektrik dipenuhi. Pemilihan bahan, pengoptimuman kemasan permukaan dan pemilihan proses pemasangan semuanya penting untuk meminimumkan masalah yang disebabkan oleh kekasaran.
PCBCart menyediakan perkhidmatan fabrikasi dan pemasangan PCB profesional dengan memberi tumpuan kepada penyampaian penyelesaian pemasangan PCB berkelajuan tinggi, membantu pelanggan memastikan prestasi keutuhan isyarat bagi aplikasi elektronik maju mereka.
Sumber Berguna
•Petua Susun Atur Kelajuan Tinggi
•Elemen yang Mempengaruhi Impedans Ciri PCB dan Penyelesaiannya
•Pemasangan PCB Lanjutan
