背景

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。

待測PCB

Sam-Jeong公司待測PCB

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(dá)到計算得出的目標(biāo)阻抗值。

完成安裝的TONiC光柵

Sam-JeongAutomation是一家精密機(jī)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(yán)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(dá)到設(shè)計階段規(guī)定的指標(biāo)，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(zhǔn)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(jī)的外形尺寸可能會更小;可能長寬各自再縮短5毫米，厚度再減小1毫米。而在手機(jī)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-JeongAutomation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(yán)苛性能要求。

挑戰(zhàn)

在開發(fā)能夠自動檢測如此超精細(xì)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)人員最關(guān)心的問題。測量測頭必須準(zhǔn)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(xì)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(biāo)。在快節(jié)奏、大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中，例如智能手機(jī)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最大程度地提高生產(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(jī)驅(qū)動阻抗測量測頭沿著預(yù)先編程的路徑移動，使其精確定位到測試點上。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(biāo)準(zhǔn)。

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(jī)器視覺攝像機(jī)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(xì)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(dá)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?！?/p>

“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?！?/p>

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(jìn)功能，精度、速度和可靠性均創(chuàng)新高。它支持的機(jī)器工作速度最高可達(dá)

10m/s，當(dāng)與外部Ti信號接口配用時，借助電子細(xì)分技術(shù)，其分辨率可達(dá)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(xué)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(xì)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。

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500mm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，

FASTRACK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(jī)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。”

一般情況下，鋁材的膨脹系數(shù)在20μm/m/°C以上，而RTLC柵尺的膨脹系數(shù)只有10.6μm/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，這最大限度縮短了停機(jī)時間。

系統(tǒng)軟件界面

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(rèn)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(jìn)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±1μm。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50μm左右，這需要確保測頭精確落在錫球上進(jìn)行阻抗測量。TONiC光柵的重復(fù)精度可以達(dá)到單位分辨率，大大提高了我們執(zhí)行系統(tǒng)優(yōu)化(包括參數(shù)補償)的靈活性?！?/p>

結(jié)果

Sam-JeongAutomation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。該公司最新研制的檢測設(shè)備搭載了雷尼紹先進(jìn)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(xì)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(xì)分誤差通?？傻椭痢?0nm，分辨率達(dá)到2.5nm?？蛇x的AdvancedDiagnosticTool(ADT)通過直觀的軟件界面提供全面反饋。

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