รับประกันความสมบูรณ์ของสัญญาณใน PCB 224G ภายใต้ความท้าทายที่อุณหภูมิสูง: การวิเคราะห์เชิงลึกของวัสดุ, กระบวนการ, และผลกระทบจากความร้อน

การแนะนำ

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของปัญญาประดิษฐ์ (AI), คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง (HPC), และเทคโนโลยีการขับขี่อัตโนมัติกำลังผลักดันเราเตอร์ศูนย์ข้อมูลและเปลี่ยนไปใช้การเชื่อมต่อระหว่างกัน 800G และ 1.6T. เพราะเหตุนี้, อัตราสัญญาณเปิดอยู่ PCBS ทะลุไปแล้ว 200 Gbps, เข้าสู่ยุค 224G. ความเร็วข้อมูลที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้การใช้พลังงานของระบบเพิ่มขึ้น, ทำให้เกิดอุณหภูมิขึ้น วัสดุพิมพ์บรรจุภัณฑ์ และ PCB จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ, อาจเกิน 150°C ในสถานการณ์ที่รุนแรง. สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงจะเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกอย่างมาก (ดีเค) และปัจจัยการกระจาย (ฟ) ของ วัสดุ PCB, ส่งผลกระทบต่อความต้านทานของสายส่ง, การสูญเสียการแทรก, และความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยรวม (และ), จึงบีบอัดระยะขอบการออกแบบระบบ. ตามมาตรฐาน IPC และข้อมูลการทดลองที่เชื่อถือได้, บทความนี้จะเจาะลึกถึงผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่อประสิทธิภาพของ PCB 224G. ครอบคลุมคุณสมบัติของวัสดุ, กระบวนการผลิต, และการวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของสัญญาณ, นำเสนอข้อมูลเชิงลึกด้านการออกแบบที่สำคัญสำหรับแอปพลิเคชัน 448G ในอนาคต และ การออกแบบ PCB ความเร็วสูง.

คุณสมบัติของวัสดุ PCB และพฤติกรรมที่อุณหภูมิสูง

วัสดุ PCB เป็นรากฐานของ การออกแบบวงจรความเร็วสูง, โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารตั้งต้นอิเล็กทริกและตัวนำโลหะ. สำหรับแอปพลิเคชัน 224G และอัตราที่สูงกว่า, การเลือกวัสดุจะเป็นตัวกำหนดการลดทอนสัญญาณโดยตรง, ล่าช้า, และความน่าเชื่อถือ, การเลือกลามิเนต PCB มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จ พีซีบี การพัฒนา.

พารามิเตอร์ที่สำคัญของวัสดุอิเล็กทริก

ประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กทริกถูกกำหนดโดยค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (ดีเค) และปัจจัยการกระจาย (ฟ). ตามมาตรฐาน IPC-4101C, แนะนำให้ใช้วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่ความเร็วสูง, โดยทั่วไปจะมี Dk อยู่ด้านล่าง 3.5 และ Df น้อยกว่า 0.002. ตัวอย่างเช่น, โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (ptfe) และวัสดุที่เติมเซรามิกสามารถแสดงค่า Dk ที่เสถียรที่ 3.2±0.05 ที่ 56 กิกะเฮิรตซ์, โดยมี Df ต่ำที่สุด 0.0005 (แหล่งที่มา: ไอพีซี-4103). อย่างไรก็ตาม, อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้โพลาไรเซชันของโมเลกุลรุนแรงขึ้น, นำไปสู่การดริฟท์ค่า Dk และ Df. การทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 25°C เป็น 150°C, Dk ของทั่วไป วัสดุ FR-4 อาจเพิ่มขึ้นโดย 5%-10%, ในขณะที่ Df สามารถเพิ่มขึ้นได้ 15%-20%, ทำให้การสูญเสียการแทรกรุนแรงขึ้นอย่างมาก.

ความท้าทายของเอฟเฟกต์การสานแก้ว

ผ้าใยแก้ว, ใช้เป็นส่วนเสริมใน PCB, สามารถทำให้เกิด “เอฟเฟกต์การทอแก้ว” เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันของโครงสร้างจุลภาค, นำไปสู่การเปลี่ยนแปลง Dk และ Df ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น. ตามวิธีทดสอบ IPC-TM-650, เอฟเฟกต์นี้สามารถกระตุ้นให้เกิดค่าดิฟเฟอเรนเชียลเบ้ได้ถึง 1 ps/inch, ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้แผนภาพตาปิดในการส่งสัญญาณ 224G PAM-4. เพื่อบรรเทาปัญหานี้, นักออกแบบสามารถใช้การกำหนดเส้นทางมุม 10 องศา หรือใช้ผ้าแก้วแบบกระจาย, ควบคุมความเบ้เข้าสู่ภายใน 0.5 ps/inch.

ผลกระทบของความหยาบของฟอยล์ทองแดงต่อการสูญเสียตัวนำ

การมีส่วนร่วมของการสูญเสียตัวนำต่อการสูญเสียการแทรกทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามความถี่. ที่ 56 ความถี่ GHz Nyquist สำหรับระบบ 224G, ความหยาบของพื้นผิวฟอยล์ทองแดงกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของ PCB และความน่าเชื่อถือของ PCBA.

ประเภทฟอยล์ทองแดงและแบบจำลองความหยาบ

ตามมาตรฐาน IPC-4562, ฟอยล์ทองแดงแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ เช่น การยืดตัวที่อุณหภูมิสูง (HTE), ฟอยล์ที่ผ่านการบำบัดแบบย้อนกลับ (มูลนิธิฯ), และโปรไฟล์ที่ต่ำมากแบบไฮเปอร์ (เอชวีแอลพี). ความหยาบของพวกเขา, วัดเป็น Rz, ลดลงจากประมาณ 2.31 μm สำหรับ HTE ลงไปด้านล่าง 0.6 μm สำหรับประเภท HVLP. ข้อมูลการทดลองโดยใช้ฟอยล์ HVLP4, วัดโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (ที่), แสดง Rz ของ 0.901 μm. วิธีการสร้างแบบจำลองทั่วไปสำหรับความหยาบของทองแดง ได้แก่ โมเดล Hammerstad และ Huray. โมเดล Huray รักษาความแม่นยำสูงไว้ด้านบน 50 กิกะเฮิรตซ์; สูตรของมันถูกแสดงเป็น:

R_eff = R_0 (1 + (2/π) arctan(1.4 Δ/δ )² )

ที่ไหน R_0 คือความต้านทานทองแดงเรียบ, δ คือความลึกของผิว, และ Δ คือพารามิเตอร์ความหยาบ.

ปฏิกิริยาระหว่างผลกระทบทางผิวหนังและอุณหภูมิสูง

อุณหภูมิสูงทำให้ผลกระทบต่อผิวหนังรุนแรงขึ้น, การสูญเสียตัวนำที่เพิ่มขึ้นอีก. ที่อุณหภูมิ 150°C, ความต้านทานของทองแดงเพิ่มขึ้นประมาณ 40%, นำไปสู่การสูญเสียการแทรกเพิ่มเติมประมาณ 0.5 เดซิเบล/นิ้ว. ดังนั้น, สำหรับการออกแบบ PCB 224G, ขอแนะนำให้เลือกฟอยล์ทองแดงที่มีความหยาบต่ำเป็นพิเศษด้วย Rz < 0.8 μm และผสานรวมกลยุทธ์การจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพเข้ากับการออกแบบ PCBA.

อิทธิพลของกระบวนการผลิต PCB ต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ขั้นตอนสำคัญในการ การผลิต PCB ขั้นตอนการทำงาน, เช่น การบำบัดด้วยออกไซด์ (บราวนิ่ง), การเคลือบ, และการตกแต่งพื้นผิว, สามารถทำให้เกิดการเบี่ยงเบนและการสูญเสียอิมพีแดนซ์ได้. ผลกระทบเหล่านี้จะเด่นชัดมากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง, ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ PCBA ขั้นสุดท้าย.

การวิเคราะห์ขั้นตอนกระบวนการที่สำคัญ

การถ่ายภาพชั้นในและการบำบัดออกไซด์ส่งผลโดยตรงต่อความหยาบของฟอยล์ทองแดงขั้นสุดท้าย. ข้อมูลการทดลองบ่งชี้ว่าการใช้การบำบัดด้วยออกไซด์กัดกร่อนต่ำสามารถลดความหยาบได้ 1.5 ไมโครเมตรถึง 1.1 μm, ในขณะเดียวกันก็รับประกันการยึดเกาะกับพรีเพก (PP) ตรงตามมาตรฐานความแข็งแรงในการลอก IPC-TM-650 (≥8ปอนด์/นิ้ว). ค่าเผื่อการลงทะเบียนในระหว่างการเคลือบและการเจาะควรได้รับการควบคุมภายใน ±25 μm เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากต้นขั้ว. อ้างอิงจาก IPC-6012E, ทั้งหมด 10 การเพิ่มขึ้นของความยาวต้นขั้วสามารถนำไปสู่ 0.2 dB เพิ่มขึ้นในการสูญเสียการแทรกที่ 56 กิกะเฮิรตซ์.

การเลือกพื้นผิว PCB

ชั้นเคลือบพื้นผิวส่งผลต่อประสิทธิภาพของไมโครสตริปอย่างมาก. อิเล็กโทรไลต์นิกเกิลอิเล็กโทรไลเซิลแพลเลเดียม (เกี่ยวกับ enepic), เนื่องจากชั้นนิกเกิลมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ (1.43×10⁶ ส/ม), จัดแสดงประมาณ 15% การสูญเสียการแทรกที่สูงขึ้นที่ 56 GHz เทียบกับสารกันบูดประสานอินทรีย์ (โอป). สำหรับ PCB ความเร็วสูง และการใช้งาน PCBA, แนะนำให้ใช้ OSP หรือ Immersion Silver, เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับทองแดงมากขึ้น (5.8×107ส/ม), ลดการสูญเสียเพิ่มเติมให้เหลือน้อยที่สุด.

ผลกระทบที่ครอบคลุมของอุณหภูมิต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สภาวะอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปพร้อม ๆ กันจะเปลี่ยนคุณสมบัติไดอิเล็กทริก, ประสิทธิภาพของตัวนำ, และความอดทนในการผลิต. ผลกระทบที่รวมกันกับตัวชี้วัดหลัก เช่น แผนภาพตาและอัตรากำไรจากการดำเนินงานของช่อง (คอม) จะต้องได้รับการประเมินผ่านการสร้างแบบจำลองและการวัดผล.

การสกัดและการสร้างแบบจำลองพารามิเตอร์

อิงตามวิธีการทดสอบ IPC D24A, พารามิเตอร์ S ถูกวัดตลอดช่วงอุณหภูมิ 25°C ถึง 150°C, ซึ่งดึงค่า Dk และ Df ออกมา. ผลลัพธ์ระบุว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 50°C, Dk เพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ย 0.1, และ Df เพิ่มขึ้น 0.0003. การใช้ซอฟต์แวร์ ADS ให้เหมาะสมกับโมเดล Huray, การเปลี่ยนแปลงการสูญเสียการแทรกจำลองแสดงให้เห็นน้อยกว่า 3% ข้อผิดพลาดเมื่อเทียบกับข้อมูลที่วัดได้.

แผนภาพตาและอัตรากำไรขั้นต้นของช่องสัญญาณ (คอม) การวิเคราะห์

จำลองสัญญาณ 224G PAM-4 ที่ 56 GHz ที่อ้างอิงกับมาตรฐาน IEEE 802.3dj เผยประสิทธิภาพที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ. เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 25°C เป็น 150°C, ความสูงของดวงตาลดลง 40%, ความกว้างของดวงตาลดลง 25%, และระยะขอบ COM จะลดลง 35%. ใช้วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำมาก (ฟ < 0.001) สามารถระงับการเสื่อมสลายที่เกิดจากอุณหภูมิลงสู่ภายในได้ 15%, รับประกันความน่าเชื่อถือของระบบสำหรับการใช้งาน PCBA ที่มีความต้องการสูง.

การตรวจสอบความถูกต้องการทดลองและข้อเสนอแนะการออกแบบ

การทดสอบเปรียบเทียบบนบอร์ดหลายตัวตรวจสอบประสิทธิภาพของวัสดุและการปรับปรุงกระบวนการให้เหมาะสม. ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 150°C, PCB ที่ใช้ฟอยล์ทองแดง HVLP และวัสดุ PTFE แสดงให้เห็นว่า 50% อัตรากำไรขั้นต้น COM ที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับการออกแบบ FR-4 มาตรฐาน. สำหรับผลิตภัณฑ์ 224G+ และการพัฒนา PCBA, คำแนะนำต่อไปนี้มีความสำคัญ:

• เลือกวัสดุอิเล็กทริกด้วย Dk < 3.5 และดฟ < 0.002, และตรวจสอบค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ.

• ควบคุมความหยาบของฟอยล์ทองแดงให้เป็น Rz < 0.8 μm, จัดลำดับความสำคัญของการใช้แบบจำลอง Huray สำหรับการจำลอง.

• เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต, เช่น การใช้การบำบัดออกไซด์กัดกร่อนต่ำและการลงทะเบียนที่แม่นยำ, เพื่อควบคุมค่าเบี่ยงเบนความต้านทานภายใน ± 5%.

• ทำงานร่วมกับ PCB มืออาชีพและ ผู้ผลิต PCBA เพื่อรับโซลูชันที่ปรับแต่งตามความต้องการและการเสนอราคาแบบเรียลไทม์, ทำให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอในการผลิตและให้ผลผลิตสูง.

บทสรุป

อุณหภูมิเป็นตัวแปรสำคัญสำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณใน PCB 224G. ผ่านวัสดุศาสตร์, การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ, และการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำ, ประสิทธิภาพการเสื่อมถอยที่เกิดจากอุณหภูมิสูงสามารถบรรเทาลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ. ระบบ 448G ในอนาคตจะต้องลดความไวต่ออุณหภูมิของ Dk/Df ลงอีก และบูรณาการการออกแบบการจัดการระบายความร้อนที่แข็งแกร่ง. ติดต่อ PCB ชั้นนำและ ซัพพลายเออร์ PCBA ตอนนี้เพื่อเข้าถึงโซลูชันการออกแบบที่มีความน่าเชื่อถือสูงตามมาตรฐาน IPC, วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับโครงสร้างพื้นฐานศูนย์ข้อมูลยุคถัดไปของคุณ.