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背景

在設(shè)計(jì)高速電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要預(yù)測(cè)信號(hào)沿印刷電路板 (PCB) 上的線路傳輸時(shí)的速度。信號(hào)必須保持完整，然而隨著手持電子設(shè)備的外形尺寸越來(lái)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(lái)越大。

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

Sam-Jeong Automation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(lái)確保其下一代PCB阻抗測(cè)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(shí)，必須確保單條線路及整個(gè)電路的阻抗值均達(dá)到設(shè)計(jì)階段規(guī)定的指標(biāo)，否則，就可能破壞信號(hào)完整性。

直流信號(hào)沿PCB上的線路傳輸時(shí)遇到的阻力通常被定義為電阻，而交流信號(hào)在通過(guò)包括電阻器、電容器和電感器在內(nèi)的一組電路時(shí)遇到的阻力的測(cè)量值則一般被定義為阻抗，其又被稱為“特征阻抗”。在設(shè)計(jì)高頻信號(hào)電路板時(shí)必須考慮阻抗因素。因此，準(zhǔn)確驗(yàn)證PCB阻抗至關(guān)重要，而且隨著產(chǎn)品越來(lái)越小型化，這一點(diǎn)變得愈加重要。

未來(lái)五年內(nèi)，智能手機(jī)的外形尺寸可能會(huì)更?。豢赡荛L(zhǎng)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(shì)使得在設(shè)計(jì)PCB時(shí)對(duì)阻抗的控制越來(lái)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(wú)論材料成分和結(jié)構(gòu)為何，確保信號(hào)在PCB上傳輸?shù)耐暾圆Ⅱ?yàn)證真實(shí)阻抗水平，其重要性只會(huì)越來(lái)越高。

為應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，韓國(guó)精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案供應(yīng)商Sam-Jeong Automation運(yùn)用其豐富的電子元件生產(chǎn)和測(cè)試專業(yè)知識(shí)研發(fā)了自動(dòng)化PCB阻抗測(cè)試設(shè)備，以滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的大型制造商對(duì)其產(chǎn)品的嚴(yán)苛性能要求。

挑戰(zhàn)

在開發(fā)能夠自動(dòng)檢測(cè)如此超精細(xì)PCB結(jié)構(gòu)的電路板阻抗測(cè)試設(shè)備時(shí)，定位精度是Sam-Jeong的研發(fā)人員最關(guān)心的問(wèn)題。測(cè)量測(cè)頭必須準(zhǔn)確無(wú)誤地落在密集分布的PCB測(cè)試點(diǎn)陣列上。

重復(fù)性也同樣重要，測(cè)試設(shè)備還要能夠根據(jù)PCB生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的細(xì)小偏差作出補(bǔ)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(yùn)行速度是另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(cè)試過(guò)程不僅不會(huì)降低而且要最大程度地提高生產(chǎn)效率。

解決方案

Sam-Jeong Automation的設(shè)備采用經(jīng)典的龍門式設(shè)計(jì)，由X軸和Y軸方向的高速直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)阻抗測(cè)量測(cè)頭沿著預(yù)先編程的路徑移動(dòng)，使其精確定位到測(cè)試點(diǎn)上。設(shè)備上搭載專有軟件，用于確定PCB阻抗測(cè)試結(jié)果是否符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。

待測(cè)PCB放在設(shè)備工作臺(tái)中央的轉(zhuǎn)臺(tái)上，并用一臺(tái)高分辨率機(jī)器視覺攝像機(jī)識(shí)別PCB測(cè)試點(diǎn)位置并完成路徑編程。

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

“阻抗測(cè)試設(shè)備，包括我們的產(chǎn)品，使用的是時(shí)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(guò)測(cè)頭向被測(cè)線路發(fā)射信號(hào)，如果此過(guò)程中阻抗出現(xiàn)任何不連續(xù)或失配的情況，部分信號(hào)會(huì)被反射回發(fā)射器。”

“然后，TDR測(cè)量反射信號(hào)的電壓幅度，計(jì)算阻抗變化。同時(shí)，只要測(cè)量出從反射點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間值，軟件就可據(jù)此確定傳輸路徑中失配阻抗變化點(diǎn)的位置。”

為確保測(cè)量測(cè)頭的定位精度，Sam-Jeong Automation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(jì)用于高動(dòng)態(tài)精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的超緊湊型 (35 mm x 13.5 mm x 10 mm) 非接觸式增量式光柵，具備多項(xiàng)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)10 m/s，當(dāng)與外部Ti信號(hào)接口配用時(shí)，借助電子細(xì)分技術(shù)，其分辨率可達(dá)1 nm。

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(dòng)態(tài)信號(hào)處理功能（包括自動(dòng)增益控制和自動(dòng)偏置控制）。超低的電子細(xì)分誤差 (±30 nm) 可實(shí)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(zhǎng)為500 mm的測(cè)頭行程內(nèi)執(zhí)行測(cè)量。有一點(diǎn)需特別指出，這款柵尺使用FASTRACK固定就位，
FASTRACK是一組堅(jiān)固的微型導(dǎo)軌；正如Hee-nok先生所解釋：

“我們?cè)O(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(duì)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(gè)問(wèn)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(duì)光柵精度的影響。

FASTRACK的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便。在需要拆解運(yùn)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(shí)間。

借助TONiC光柵實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定位精度和速度對(duì)于阻抗測(cè)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?yàn)楦咧貜?fù)性系統(tǒng)可以通過(guò)控制器的參數(shù)補(bǔ)償進(jìn)一步提升設(shè)備的整體性能。

“阻抗測(cè)試設(shè)備要求的重復(fù)精度為±1 μm。在一些設(shè)計(jì)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(cè)頭精確落在錫球上進(jìn)行阻抗測(cè)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(bǔ)償）的靈活性。”

結(jié)果

Sam-Jeong Automation設(shè)計(jì)推出的新一代PCB阻抗測(cè)試設(shè)備受到了客戶的廣泛青睞。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高精度且快速的電路板性能驗(yàn)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(cè)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(lái)電子產(chǎn)品微型化的發(fā)展趨勢(shì)。

VIONiC光柵

TONiC光柵系列的成功推動(dòng)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(hào)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?0 nm，分辨率達(dá)到2.5 nm。可選的Advanced Diagnostic Tool (ADT) 通過(guò)直觀的軟件界面提供全面反饋。

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測(cè)量和醫(yī)療保健領(lǐng)域擁有專業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機(jī)引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制造，到口腔和腦外科醫(yī)療設(shè)備等。此外，它還在全球增材制造（也稱3D打印）領(lǐng)域居領(lǐng)導(dǎo)地位，是英國(guó)唯一一家設(shè)計(jì)和制造工業(yè)用增材制造設(shè)備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團(tuán)目前在35個(gè)國(guó)家/地區(qū)設(shè)有70多個(gè)分支機(jī)構(gòu)，員工逾4,500人，其中3,000余名員工在英國(guó)本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國(guó)本土進(jìn)行，在截至2018年6月的2018財(cái)年，雷尼紹實(shí)現(xiàn)了6.115億英鎊的銷售額，其中95%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和日本。