ข้อควรพิจารณาในการออกแบบอิมพีแดนซ์สำหรับแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง

เมื่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ตลาดจึงมีความต้องการที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่องต่อแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิด (flex-rigid PCB) และแผ่นวงจรพิมพ์ควบคุมอิมพีแดนซ์ (impedance control PCB) พร้อมไปกับข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นต่อผลิตภัณฑ์เหล่านี้ ประเด็นสำคัญที่แผ่นวงจรเฟล็กซ์-ริจิดซึ่งมีข้อกำหนดด้านอิมพีแดนซ์ต้องเผชิญ คือความแตกต่างอย่างมากระหว่างค่าที่วัดได้กับค่าที่ออกแบบไว้ ซึ่งอาจสูงกว่า 20Ω ทำให้การชดเชยในการออกแบบล้มเหลวและยากต่อการควบคุมในกระบวนการผลิต บทความนี้มุ่งเน้นอภิปรายถึงวิธีการตอบสนองต่อความแม่นยำที่เข้มงวดของการควบคุมอิมพีแดนซ์จากมุมมองของการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และคาดว่าจะเป็นประโยชน์ต่อบุคลากรที่ทำงานในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์

การวิเคราะห์การควบคุมอิมพีแดนซ์

องค์ประกอบหลักที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์ได้แก่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ความหนาของตัวกลาง ความกว้างของลายทองแดง และความหนาของทองแดง

จากการวิเคราะห์หน้าตัด เมื่อใช้ข้อมูลหน้าตัดจริงในโมดูล พบว่าค่าที่คำนวณได้กับค่าที่วัดได้จริงจากเครื่องมือวัดอิมพีแดนซ์มีความแตกต่างกันอยู่ในช่วงตั้งแต่ 14Ω ถึง 33Ω ซึ่งสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้

จากความแตกต่างที่แสดงไว้ข้างต้น ความแตกต่างระหว่างค่าทฤษฎีกับค่าที่วัดได้มีขนาดใหญ่เกินไป ซึ่งอาจเกิดจากสาเหตุต่อไปนี้:

ระหว่างการออกแบบทางวิศวกรรม การเข้าถูกแทนที่อย่างไม่ถูกต้องด้วยพารามิเตอร์ซอฟต์แวร์

ตามปัจจัยที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์และข้อมูลหน้าตัด อาจมีเพียงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเท่านั้นที่ทำให้การเข้าถึงไม่แม่นยำ จากแนวคิดเชิงผสมของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก สามารถทราบได้ว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุแผ่นฐาน PCBเป็นผลลัพธ์โดยรวมของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุไดอิเล็กทริกในวัสดุแผ่นรอง ซึ่งสามารถประมาณได้ด้วยผลรวมถ่วงน้ำหนักของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของเรซินในวัสดุไดอิเล็กทริกและค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุเสริมแรง อย่างไรก็ตาม เมื่อกล่าวถึงวัสดุยืดหยุ่น วัสดุดังกล่าวประกอบด้วยกาวและ PI (polyimide) ดังนั้น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุยืดหยุ่นจึงเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กทริกโดยรวมของทั้งกาวและ PI

การออกแบบโมดูลวัดค่ามีความไม่ถูกต้องเมื่อเทียบกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ระหว่างการออกแบบอิมพีแดนซ์ในกระบวนการวัดอิมพีแดนซ์ของลายส่งสัญญาณ โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับการออกแบบสายส่งและระนาบอ้างอิง และต้องรับประกันว่าสามารถรักษาระยะห่างที่แน่นอนระหว่างขอบทองแดงของระนาบอ้างอิงกับลายอิมพีแดนซ์ได้ สำหรับสถานการณ์นี้ ระยะห่างมีเพียง 0.5 มม. ซึ่งอาจสั้นเกินไป ทำให้ระนาบอ้างอิงนี้ถูกมองข้ามไปโดยสิ้นเชิง

• แผนการทดลอง

ขั้นตอนที่ 1: ข้อมูลทางวิศวกรรมถูกออกแบบมาเพื่อตรวจสอบแยกกันว่า:
i. อิทธิพลของฟอยล์ทองแดงส่งสัญญาณต่ออิมพีแดนซ์เมื่อมีการเพิ่มหรือไม่เพิ่มเข้าไปในโมดูลการวัด
ii. ในโมดูลการวัด ระยะห่างระหว่างขอบฟอยล์ทองแดงกับลายอิมพีแดนซ์มีผลต่ออิมพีแดนซ์อย่างไร โดยที่ระยะห่างในแนวนอนระหว่างขอบที่ออกแบบกับลายอิมพีแดนซ์คือ 0.5 มม. และ 4.5 มม. ตามลำดับ
iii. การออกแบบโมดูลการวัดจะกำหนดอิทธิพลของระนาบอ้างอิงกริดและระนาบอ้างอิงฟอยล์ทองแดงต่อค่าความต้านทานอิมพีแดนซ์

ขั้นตอนที่ 2: ผลิตแผงวงจรแบบยืดหยุ่นและวัดอิมพีแดนซ์ของแผงวงจรแบบยืดหยุ่น

ขั้นตอนที่ 3: การเข้าถึงหน้าตัดจะถูกแทนที่ด้วยอิมพีแดนซ์เชิงทฤษฎีของการคำนวณโมดูล และคำนวณตามค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเชิงองค์รวมของวัสดุไดอิเล็กทริก เพื่อขจัดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเข้าถึง

ขั้นตอนที่ 4: สามารถสรุปผลได้ผ่านการเปรียบเทียบข้อมูล: วิธีการเข้าถึงพารามิเตอร์และข้อกำหนดการออกแบบของโมดูลการวัด

• ผลการทดลอง

1)ตามแผนการทดลองที่มีและไม่มีการเพิ่มแผ่นฟอยล์ทองแดงส่งผ่านเข้าไปในโมดูลการวัด ข้อมูลการวัดดั้งเดิมแสดงให้เห็นว่าอิมพีแดนซ์ทำให้เกิดความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างกรณีที่เพิ่มและไม่เพิ่มแผ่นฟอยล์ทองแดงส่งผ่าน ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าไม่เกิดผลกระทบต่ออิมพีแดนซ์ ไม่ว่าจะมีการเพิ่มหรือไม่มีการเพิ่มแผ่นฟอยล์ทองแดงส่งผ่านก็ตาม

2)ตามแผนการทดลองที่ออกแบบขึ้นโดยอ้างอิงจากระยะห่างระหว่างขอบฟอยล์ทองแดงของระนาบอ้างอิงกับเส้นอิมพีแดนซ์ พบว่าความแตกต่างของอิมพีแดนซ์มีน้อยมาก จึงสามารถสรุปได้ว่าระยะห่างระหว่างขอบฟอยล์ทองแดงของระนาบอ้างอิงกับเส้นอิมพีแดนซ์ไม่มีผลกระทบต่ออิมพีแดนซ์

3)ตามแผนการทดลองที่ออกแบบขึ้นโดยอิงจากโครงตาข่ายและโมดูลฟอยล์ทองแดงซึ่งถูกออกแบบสำหรับระนาบอ้างอิงของโมดูลการวัด สามารถสรุปได้ว่าอิมพีแดนซ์จะได้รับผลกระทบอย่างมากเมื่อระนาบอ้างอิงของโมดูลการวัดถูกออกแบบให้เป็นฟอยล์ทองแดงและโครงตาข่าย

4)ตามแผนการทดลองที่เกี่ยวข้องกับความกว้างของลายวงจรที่แตกต่างกัน ตะแกรง และโมดูลฟอยล์ทองแดงที่มีขนาดต่างกัน สามารถสรุปได้ว่าเมื่อออกแบบตะแกรงให้เป็นระนาบอ้างอิง จะมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่ ยิ่งอัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่สูง ความแตกต่างเมื่อเทียบกับฟอยล์ทองแดงก็จะยิ่งน้อยลง ยิ่งอัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่ต่ำ ความแตกต่างเมื่อเทียบกับฟอยล์ทองแดงก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น เมื่อใช้ตะแกรงเป็นระนาบอ้างอิง ควรเคลือบทองแดงในตำแหน่งอ้างอิงให้สอดคล้องกับตำแหน่งของไลน์อิมพีแดนซ์

5)ตามโมดูลการวัดการออกแบบเชิงปฏิบัติ ภาคตัดขวางของทางนำสัญญาณจะถูกแทนที่ลงในโมดูลเพื่อคำนวณอิมพีแดนซ์เชิงทฤษฎี จากนั้นจึงนำไปเปรียบเทียบกับอิมพีแดนซ์ที่ได้จากการวัดจริง เนื่องจากวัสดุยืดหยุ่นประกอบด้วยกาวและ PI ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุยืดหยุ่นจึงควรเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กทริกรวมของทั้งสององค์ประกอบ หรืออาจได้ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเพียงค่าเดียวผ่านการใช้ซอฟต์แวร์สำหรับการคำนวณอิมพีแดนซ์ จากผลการทดลองก่อนหน้า สามารถสรุปได้ว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของ PI เท่ากับ 2.8 ในขณะที่ของกาวเท่ากับ 3.5 ดังนั้นเมื่อแทนค่าข้อมูลลงในซอฟต์แวร์เพื่อคำนวณแล้ว ความแม่นยำของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะได้รับการตรวจสอบยืนยัน

ข้อควรพิจารณาของผู้ออกแบบแผงวงจรยืดหยุ่น-แข็งในด้านการออกแบบอิมพีแดนซ์

ข้อพิจารณาที่ 1: ระนาบอ้างอิงควรเป็นระนาบอ้างอิงกริดและระนาบอ้างอิงฟอยล์ทองแดง

จากผลการทดลองที่ระบุไว้ข้างต้น สามารถสรุปได้ว่าการออกแบบทางวิศวกรรมโดยอ้างอิงระนาบฟอยล์ทองแดงสามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านอิมพีแดนซ์ของแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งได้ เมื่อมีการออกแบบระนาบอ้างอิงแบบตะแกรง ขนาดตะแกรงที่ใหญ่ขึ้นจะทำให้เกิดความแตกต่างมากขึ้นระหว่างอิมพีแดนซ์ของตะแกรงที่อัตราส่วนทองแดงคงเหลือน้อยที่สุดกับอิมพีแดนซ์ของฟอยล์ทองแดง ในขณะที่ขนาดตะแกรงที่เล็กลงจะทำให้เกิดความแตกต่างน้อยลงระหว่างอิมพีแดนซ์ของตะแกรงที่อัตราส่วนทองแดงคงเหลือสูงสุดกับอิมพีแดนซ์ของฟอยล์ทองแดง

โดยสรุปแล้ว การออกแบบกริดให้เป็นระนาบอ้างอิงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับขนาดของกริด กล่าวคือ อัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่ ยิ่งอัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่สูง ความแตกต่างระหว่างมันกับอิมพีแดนซ์ของฟอยล์ทองแดงและข้อมูลการออกแบบเชิงทฤษฎีก็จะยิ่งน้อยลง ยิ่งอัตราส่วนทองแดงที่เหลืออยู่ต่ำ ความแตกต่างระหว่างมันกับอิมพีแดนซ์ของฟอยล์ทองแดงและข้อมูลการออกแบบเชิงทฤษฎีก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น เมื่อเลือกใช้กริดเป็นระนาบอ้างอิง ควรเคลือบทองแดงบนระนาบอ้างอิงให้สอดคล้องกับตำแหน่งของไลน์อิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้อง

ข้อพิจารณาที่ 2: ควรออกแบบอิมพีแดนซ์ของแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง (Flex-rigid PCB) โดยขึ้นอยู่กับการเพิ่มฟังก์ชันของซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์

เมื่อเปรียบเทียบกับซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ทั่วไป ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ที่มีการเพิ่มฟังก์ชันการทำงานจะมีฟังก์ชันการได้มาซึ่งการเข้าถึงสำหรับแต่ละชั้นของตัวกลาง และให้ความแม่นยำมากกว่าในด้านการได้มาซึ่งการเข้าถึง นอกจากนี้ ยังทำให้การจำลองสถานการณ์จริงทำได้ง่ายขึ้น และสะดวกต่อการนำไปใช้ในการออกแบบทางวิศวกรรมมากยิ่งขึ้น

ข้อพิจารณาที่ 3: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของแต่ละชั้นเดี่ยวถูกวัดบนบอร์ดเฟล็กซ์-ริจิด

จากการทดสอบในระดับฟูลสเกลสามารถยืนยันได้ว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของ PI เท่ากับ 2.8 ในขณะที่ของกาวเท่ากับ 3.5 ซึ่งสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับผู้ออกแบบแผ่นวงจรแบบเฟล็กซ์-ริจิด การคำนวณข้อมูลเชิงทฤษฎีโดยอิงจากการใช้ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ที่มีการเพิ่มฟังก์ชันการทำงานสามารถตอบสนองความต้องการของลูกค้าแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดได้

PCBCart สามารถผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดที่มีการควบคุมอิมพีแดนซ์อย่างเข้มงวดได้

ก่อตั้งขึ้นในปี 2005 PCBCart ได้ให้บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดที่รับประกันคุณภาพตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เราสามารถควบคุมอิมพีแดนซ์อย่างเข้มงวดในแผงวงจรเฟล็กซ์-ริจิดทุกชิ้นได้ หากคุณต้องการบริการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิด โปรดติดต่อเราได้ที่นี่เพื่อเป็นทางออกที่ใช้ได้จริงและคุ้มค่าในด้านต้นทุน

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•วิธีการวิเคราะห์และป้องกันอิมพีแดนซ์ของพลังงาน PCB ความเร็วสูง
•ปัจจัยที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และแนวทางแก้ไข
•PCBCart ให้บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดขั้นสูง เริ่มต้นตั้งแต่ 1 แผ่น