【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 新品出爐】在設(shè)計高速電路時，設(shè)計人員需要預(yù)測信號沿印刷電路板(PCB)上的線路傳輸時的速度。信號必須保持完整，然而隨著手持電子設(shè)備的外形尺寸越來越小，要將PCB阻抗保持在可接受的范圍內(nèi)，工程師們所面臨的挑戰(zhàn)越來越大。
 

　　在批量生產(chǎn)高頻電子產(chǎn)品時需要使用性能優(yōu)異的PCB阻抗測試設(shè)備，這類設(shè)備必須能夠可靠地驗證成品的實際阻抗值是否已達到計算得出的目標阻抗值。
 

　　Sam-Jeong Automation是一家精密機械制造商，其采用雷尼紹TONiC™增量式光柵和鋼帶柵尺系統(tǒng)，來確保其下一代PCB阻抗測試設(shè)備足以滿足更為嚴苛的速度、精度和重復(fù)性要求。
 

　　生產(chǎn)精密復(fù)雜的高頻便攜式產(chǎn)品(例如智能電話)中使用的印刷電路板時，必須確保單條線路及整個電路的阻抗值均達到設(shè)計階段規(guī)定的指標，否則，就可能破壞信號完整性。
 

　　直流信號沿PCB上的線路傳輸時遇到的阻力通常被定義為電阻，而交流信號在通過包括電阻器、電容器和電感器在內(nèi)的一組電路時遇到的阻力的測量值則一般被定義為阻抗，其又被稱為“特征阻抗”。在設(shè)計高頻信號電路板時必須考慮阻抗因素。因此，準確驗證PCB 阻抗至關(guān)重要，而且隨著產(chǎn)品越來越小型化，這一點變得愈加重要。
 

　　未來五年內(nèi)，智能手機的外形尺寸可能會更小；可能長寬各自再縮短5mm，厚度再減小1mm。而在手機內(nèi)部，多層主板可能至少有12層。這種日趨加速的小型化趨勢使得在設(shè)計PCB時對阻抗的控制越來越有挑戰(zhàn)性。
 

　　PCB上的線寬要更窄，水平和垂直平面上線路之間的距離要更短，而且可能必須采用介電常數(shù)更低的PCB基板，以及具有更低電阻的銅箔(或類似材料的覆箔)。無論材料成分和結(jié)構(gòu)為何，確保信號在PCB上傳輸?shù)耐暾圆Ⅱ炞C真實阻抗水平，其重要性只會越來越高。
 

　　為應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)，韓國精密運動控制解決方案供應(yīng)商Sam-Jeong Automation運用其豐富的電子元件生產(chǎn)和測試專業(yè)知識研發(fā)了自動化PCB阻抗測試設(shè)備，以滿足消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域的大型制造商對其產(chǎn)品的嚴苛性能要求。
 

　　挑戰(zhàn)
 

　　在開發(fā)能夠自動檢測如此超精細PCB結(jié)構(gòu)的電路板阻抗測試設(shè)備時，定位精度是Sam-Jeong的研發(fā)人員關(guān)心的問題。測量測頭必須準確無誤地落在密集分布的PCB測試點陣列上。
 

　　重復(fù)性也同樣重要，測試設(shè)備還要能夠根據(jù)PCB生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的細小偏差作出補償和調(diào)整。它還必須消化生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境條件變化以及熱膨脹影響。
 

　　設(shè)備運行速度是另一個關(guān)鍵設(shè)計指標。在快節(jié)奏、大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中，例如智能手機生產(chǎn)工廠中，Sam-Jeong的設(shè)備需要確保PCB阻抗測試過程不僅不會降低而且要大程度地提高生產(chǎn)效率。
 

　　解決方案
 

　　Sam-JeongAutomation的設(shè)備采用經(jīng)典的龍門式設(shè)計，由X軸和Y軸方向的高速直線電機驅(qū)動阻抗測量測頭沿著預(yù)先編程的路徑移動，使其定位到測試點上。設(shè)備上搭載專有軟件，用于確定PCB阻抗測試結(jié)果是否符合規(guī)格標準。待測PCB放在設(shè)備工作臺中央的轉(zhuǎn)臺上，并用一臺高分辨率機器視覺攝像機識別PCB測試點位置并完成路徑編程。
 

　　Sam-JeongAutomation的副總經(jīng)理YooHee-nok先生詳細解釋了阻抗測量的基本原理：“阻抗測試設(shè)備，包括我們的產(chǎn)品，使用的是時域反射技術(shù)，也就是TDR，其原理與雷達類似。脈沖發(fā)射器通過測頭向被測線路發(fā)射信號，如果此過程中阻抗出現(xiàn)任何不連續(xù)或失配的情況，部分信號會被反射回發(fā)射器。然后，TDR測量反射信號的電壓幅度，計算阻抗變化。同時，只要測量出從反射點到發(fā)射點的時間值，軟件就可據(jù)此確定傳輸路徑中失配阻抗變化點的位置。”
 

　　為確保測量測頭的定位精度，Sam-JeongAutomation選擇了雷尼紹TONiC™增量式光柵讀數(shù)頭，并配用RTLC直線鋼帶柵尺和FASTRACK™導(dǎo)軌系統(tǒng)。
 

　　TONiC系列產(chǎn)品是設(shè)計用于高動態(tài)精密運動控制系統(tǒng)的超緊湊型(35mmx13.5mmx10mm)非接觸式增量式光柵，具備多項先進功能，精度、速度和可靠性均創(chuàng)新高。它支持的機器工作速度高可達10m/s，當與外部Ti信號接口配用時，借助電子細分技術(shù)，其分辨率可達1nm。
 

　　為提高可靠性和抗污防塵能力，TONiC讀數(shù)頭采用了第三代光學濾波系統(tǒng)，可以降低噪聲，而且具備動態(tài)信號處理功能(包括自動增益控制和自動偏置控制)。超低的電子細分誤差(±30nm)可實現(xiàn)更為平穩(wěn)的速度控制，而且掃描性能和位置穩(wěn)定性都獲得提高。
 

待測PCB
 

　　在Sam-Jeong的設(shè)備上，TONiC光柵讀數(shù)頭與輕薄小巧的RTLC不銹鋼鋼帶柵尺配合使用，沿X軸和Y軸在總長為500 mm的測頭行程內(nèi)執(zhí)行測量。有一點需特別指出，這款柵尺使用FASTRACK固定就位，F(xiàn)ASTRACK是一組堅固的微型導(dǎo)軌。正如Hee-nok先生所解釋：“我們設(shè)備的龍門機構(gòu)是用鋁材精加工制成的，所以必須防止熱膨脹對光柵系統(tǒng)的精度造成不利影響，于是我們使用RTLC柵尺并配用FASTRACK導(dǎo)軌，從而解決了這個問題。用導(dǎo)軌將柵尺固定在基體上，由于不需要使用任何粘合劑或者不干膠，柵尺就可以在自身膨脹系數(shù)范圍內(nèi)任意膨脹， 原理就像是柵尺‘懸浮’在基體上。”
 

電纜線路后的TONiC光柵讀數(shù)頭                               系統(tǒng)軟件界面
 

　　一般情況下，鋁材的膨脹系數(shù)在20 μm/m/°C以上，而RTLC柵尺的膨脹系數(shù)只有10.6 μm/m/°C，使用FASTRACK導(dǎo)軌，Sam-Jeong成功降低了溫度變化對光柵精度的影響。
 

　　FASTRACK的另一個優(yōu)點是安裝簡便。在需要拆解運輸?shù)拇笮驮O(shè)備上，即使空間狹小受限，也可以輕松地將柵尺從導(dǎo)軌上拆下，并可在設(shè)備重新組裝完畢后快速重新裝入柵尺，這大限度縮短了停機時間。
 

　　借助TONiC光柵實現(xiàn)的運動控制系統(tǒng)定位精度和速度對于阻抗測試而言固然重要，Hee-nok先生還認為， 系統(tǒng)重復(fù)精度也同樣重要，因為高重復(fù)性系統(tǒng)可以通過控制器的參數(shù)補償進一步提升設(shè)備的整體性能。
 

　　阻抗測試設(shè)備要求的重復(fù)精度為±1 μm。在一些設(shè)計精密的電路板上，如BGA(球柵陣列)電路板，焊錫球之間的距離僅有50 μm左右，這需要確保測頭落在錫球上進行阻抗測量。
 

　　TONiC的重復(fù)精度可以達到單位分辨率，大大提高了Sam-Jeong執(zhí)行系統(tǒng)優(yōu)化的靈活性。
 

　　結(jié)果
 

　　Sam-Jeong Automation設(shè)計推出的新一代PCB阻抗測試設(shè)備受到了客戶的廣泛青睞。該設(shè)備可實現(xiàn)高精度且快速的電路板性能驗證和故障診斷，幫助客戶提高生產(chǎn)效率，避免生產(chǎn)損失。該公司新研制的檢測設(shè)備搭載了雷尼紹先進的增量式光柵系統(tǒng)，能夠順應(yīng)未來電子產(chǎn)品微型化的發(fā)展趨勢。
 

　　VIONiC™光柵
 

　　TONiC光柵系列的成功推動雷尼紹開發(fā)了VIONiC光柵系列。VIONiC是一款超高精度、一體化數(shù)字增量式光柵，將細分電路和數(shù)字信號處理功能組合封裝在讀數(shù)頭內(nèi)，不再需要使用外部接口。VIONiC適用于直線和旋轉(zhuǎn)位置反饋應(yīng)用，其電子細分誤差通常可低至±10 nm，分辨率達到2.5 nm。可選的Advanced Diagnostic Tool (ADT) 通過直觀的軟件界面提供全面反饋。

    （原標題：增量式光柵提升PCB阻抗驗證效率）