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雷尼（ní）紹光柵助力提升PCB阻抗驗證效率

2019-1-23 來源：雷尼紹作者：-

背景

在設計高速（sù）電路時，設（shè）計人員需要預測信號沿印刷電路板 (PCB) 上的線路傳（chuán）輸時的速度。信號必須保持完整，然而隨著手持電子設備的外形尺寸越來越小，要（yào）將PCB阻抗保持在（zài）可接（jiē）受的範圍內，工程師們所麵臨的挑戰（zhàn）越（yuè）來越大（dà）。

在批量生產高頻電（diàn）子產品時需要使用性能（néng）優異的PCB阻抗測試設備，這類設備必須能夠可靠地驗證成品的實（shí）際阻抗值是否已達（dá）到計算得出的目標阻抗值。

Sam-Jeong Automation是（shì）一家精密機械製造（zào）商，其采用雷（léi）尼紹TONiC™增量（liàng）式光柵和（hé）鋼帶柵尺係統，來確保其下一代PCB阻抗測試設備足以滿足更為嚴苛（kē）的速度、精度和（hé）重複（fù）性要求。

生產精密（mì）複雜的高頻（pín）便攜式（shì）產品（例如智能電話）中使（shǐ）用的印刷電路板時，必須確保單條線路及整個電路的阻（zǔ）抗值均達到設計階段規定（dìng）的指標，否則，就可能破壞信號完整性。

直流信（xìn）號沿PCB上的線路傳（chuán）輸時遇到的阻力通常被定（dìng）義為電阻，而交流（liú）信號（hào）在通過（guò）包（bāo）括（kuò）電阻器（qì）、電容（róng）器和（hé）電感器在內的一組電路時遇到的阻力的測量值則一般被定（dìng）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（lǜ）阻抗因素。因此，準確驗證PCB阻抗至關重要，而且隨著（zhe）產品越來越小型化，這一點變得愈加重要。

未來五年（nián）內，智能手機的外形尺寸可（kě）能會更小；可能長寬各自再縮短5毫米，厚度再減小1毫（háo）米。而在手機內部，多層主板可能至少有12層。這種（zhǒng）日趨加速的小型化趨勢使得在設計PCB時對阻抗（kàng）的（de）控製越來越有挑戰性。PCB上的線寬要更窄，水平（píng）和垂直平麵上（shàng）線路之間的（de）距離要更短，而且可能（néng）必須采用（yòng）介電常數更低的PCB基板（bǎn），以及具有更低電（diàn）阻的銅箔（或類似材料的覆箔（bó））。無論材料成分和結構為何，確保信號在PCB上傳輸的完整（zhěng）性並驗證真實（shí）阻抗水平，其重要（yào）性隻會越來越高。

為應對這樣的挑戰，韓國精密運動控製解決方案供應商Sam-Jeong Automation運用其（qí）豐富的電子元（yuán）件生（shēng）產和（hé）測試專業（yè）知識研發了（le）自動化PCB阻抗測試設備，以滿足消費電子（zǐ）產品領域的（de）大型（xíng）製造商（shāng）對其產品的嚴苛性能要求。

挑戰

在開發能夠自動檢測（cè）如此超精細PCB結構的電路板阻抗（kàng）測試設備時，定位精度是Sam-Jeong的研發人員最關心的問題（tí）。測量測頭必須準確無誤地落在密集（jí）分布的PCB測試點陣列上。

Sam-Jeong公司待測PCB

重複（fù）性也（yě）同樣重要，測試設備還要（yào）能（néng）夠根據PCB生產過程中出現的細小（xiǎo）偏差作出補償和調整。它還必（bì）須消化（huà）生產區域內的環境條件變化以及熱膨（péng）脹影響。

設備運（yùn）行速度是另一個關鍵設計指標。在快節奏、大規模（mó）生產環境中，例如智能手機生產工廠中，Sam-Jeong的設備需要確保PCB阻抗測試過程不僅不會降低而（ér）且要最大程（chéng）度地提高生產效率。

解決方案

Sam-Jeong Automation的設備采用經典的龍門式設計，由X軸（zhóu）和Y軸方向（xiàng）的（de）高速直線電機驅動阻抗測量（liàng）測頭沿（yán）著預先編程的路徑移動，使其精確定位（wèi）到測試點上。設（shè）備上搭載專有軟件，用於確定PCB阻抗測試結果是否符合（hé）規（guī）格標準。

待測PCB

待測PCB放在設備工（gōng）作台中央的轉台上，並用一台高分辨率機（jī）器視覺攝像機識別（bié）PCB測試點位置並完成（chéng）路徑編程。

Sam-Jeong Automation的副總經（jīng）理Yoo Hee-nok先生詳細解釋了阻抗測量的基本原理：

“阻抗測試（shì）設備，包括我們的產品，使用的是時域反射技術，也就是TDR，其原理與雷達類似。脈衝發射器通過測頭向被測線路發射信號，如果此過程中阻抗出現任何不（bú）連續或失配的情況，部分信號會被反射回發射器。”

“然後（hòu），TDR測量反射信號的（de）電壓（yā）幅度，計算阻抗變化。同時，隻要測量出從反射點到發射點的時間值，軟件就可據此確定傳輸路徑中失配阻抗變化（huà）點的位置。”

為確保測量測頭（tóu）的（de）定位精度，Sam-Jeong Automation選（xuǎn）擇了（le）雷尼紹TONiC™增量式光柵讀數頭，並配用RTLC直（zhí）線鋼帶柵尺和FASTRACK™導軌係統。

TONiC係列產品是設計用（yòng）於高動態精密運動控製係統的超緊湊型 (35 mm x 13.5 mm x 10 mm) 非接觸式增量（liàng）式光柵，具備多項先進功能，精度、速度和可靠性均（jun1）創新高。它支持的機器工（gōng）作速度最高可達10 m/s，當與外部Ti信號接（jiē）口配用時，借助電子細分技（jì）術，其分辨（biàn）率可達1 nm。

為提（tí）高可靠性和抗汙防（fáng）塵能（néng）力，TONiC讀數頭采用了第三代（dài）光（guāng）學（xué）濾波係統，可以降低噪聲，而且具備動態信號（hào）處理（lǐ）功能（包括自動增益控製和自動偏置（zhì）控製）。超低的電子（zǐ）細分誤差 (±30 nm) 可實現更為平穩的速度控製，而且掃描性（xìng）能（néng）和（hé）位置穩定性都獲得提高。

在（zài）Sam-Jeong的設備上，TONiC光柵讀數頭（tóu）與輕薄小巧的RTLC不鏽鋼鋼帶柵（shān）尺配合使用，沿X軸和Y軸在總（zǒng）長為500 mm的測頭行程內執行測量。有一點需特別指出，這款柵尺使用FASTRACK固定（dìng）就位（wèi），FASTRACK是一組堅固的微型導（dǎo）軌；正如Hee-nok先生所解釋：

“我們設備的龍門機構（gòu）是用鋁材（cái）精加工製成的，所以必須防止熱膨脹對光柵係統的精度造（zào）成不利影響，於是我們使用RTLC柵尺並配用FASTRACK導軌，從而解決了這個問題。

用導軌將柵尺固定在基體上，由於不需要使用任何粘合劑或者不幹膠，柵尺就可以在自（zì）身膨脹係數範圍內任意膨（péng）脹，原理就像是柵尺‘懸浮（fú）’在基體上。”

一般情況下，鋁材的膨脹係數在20 µm/m/°C以上，而（ér）RTLC柵尺的膨脹係數隻有10.6 µm/m/°C，使用FASTRACK導（dǎo）軌，Sam-Jeong成功降低了溫度變化（huà）對光（guāng）柵精度的影響。

FASTRACK的另一個優點（diǎn）是安裝簡便。在需要拆解運輸的大（dà）型設備上，即使空（kōng）間狹小受限，也可以（yǐ）輕（qīng）鬆地將柵（shān）尺從導軌上拆下，並可在設備重新組裝完畢（bì）後快（kuài）速重新裝入柵尺，這最（zuì）大限（xiàn）度縮短了停機時間。

借助TONiC光柵實現的運動控製係統定位精（jīng）度和（hé）速度對於（yú）阻（zǔ）抗測試而言固然重要，Hee-nok先生還（hái）認為，係統重複（fù）精度也同樣重要，因為高重複（fù）性係統可以通過（guò）控製器的參數補償進一步提升設備的整體性能。

“阻抗測試設備要求的重複精（jīng）度為±1 µm。在（zài）一些設計精（jīng）密的電路板上，如（rú）BGA（球柵陣列）電路板，焊錫球之間的距離僅有50 μm左右，這需要確保測頭精確落在錫球上（shàng）進行阻抗測量。TONiC光柵的重（chóng）複精（jīng）度（dù）可以達到單位（wèi）分辨率，大大提高了我們執行係統優化（huà）（包括參數補償）的靈活性。”

結果

Sam-Jeong Automation設計推出的新一（yī）代PCB阻抗測試（shì）設備受到了客戶的廣泛青睞。該（gāi）設備可實現高精度且（qiě）快（kuài）速的（de）電路板性能驗證和故障診斷，幫助客戶提高生產（chǎn）效率，避免生產損失。該公司最（zuì）新研製的檢測設備搭（dā）載了雷尼（ní）紹先進的增量（liàng）式光柵係統，能夠（gòu）順應未來電子產品微型化的發展趨勢。

VIONiC™光柵

TONiC光柵係列的成功推動雷（léi）尼（ní）紹開發了VIONiC光柵係列（liè）。VIONiC是一款超高精度、一體化數字增量式光柵，將細分電路和數字信號處理功能組合封裝在讀數頭內，不再需要（yào）使用外部接（jiē）口。VIONiC適（shì）用於直線和旋轉位置反饋應用，其（qí）電子細分誤差通常可低至±10 nm，分辨率達（dá）到2.5 nm。可選的Advanced Diagnostic Tool (ADT) 通過直觀的軟件（jiàn）界麵提供全（quán）麵反饋。

完成安裝的TONiC光柵

係統軟件界麵 _副本.png

詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoder

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