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背景

在設計高速電路時，設計人員需要預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，工程師們所面臨的挑戰越來越大。

在批量生產高頻電子產品時需要使用性能優異的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，來確保其下一代PCB阻抗測試設備足以滿足更為嚴苛的速度、精度和重復性要求。

生產精密復雜的高頻便攜式產品（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計階段規定的指標，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阻抗至關重要，而且隨著產品越來越小型化，這一點變得愈加重要。

未來五年內，智能手機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。而在手機內部，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計PCB時對阻抗的控制越來越有挑戰性。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）。無論材料成分和結構為何，確保信號在PCB上傳輸的完整性并驗證真實阻抗水平，其重要性只會越來越高。

為應對這樣的挑戰，韓國精密運動控制解決方案供應商Sam-Jeong Automation運用其豐富的電子元件生產和測試專業知識研發了自動化PCB阻抗測試設備，以滿足消費電子產品領域的大型制造商對其產品的嚴苛性能要求。

挑戰

在開發能夠自動檢測如此超精細PCB結構的電路板阻抗測試設備時，定位精度是Sam-Jeong的研發人員最關心的問題。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。

重復性也同樣重要，測試設備還要能夠根據PCB生產過程中出現的細小偏差作出補償和調整。它還必須消化生產區域內的環境條件變化以及熱膨脹影響。

設備運行速度是另一個關鍵設計指標。在快節奏、大規模生產環境中，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且要最大程度地提高生產效率。

解決方案

Sam-Jeong Automation的設備采用經典的龍門式設計，由X軸和Y軸方向的高速直線電機驅動阻抗測量測頭沿著預先編程的路徑移動，使其精確定位到測試點上。設備上搭載專有軟件，用于確定PCB阻抗測試結果是否符合規格標準。

待測PCB放在設備工作臺中央的轉臺上，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-Jeong Automation的副總經理Yoo Hee-nok先生詳細解釋了阻抗測量的基本原理：

“阻抗測試設備，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。脈沖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連續或失配的情況，部分信號會被反射回發射器。”

“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點的位置。”

為確保測量測頭的定位精度，Sam-Jeong Automation選擇了雷尼紹TONiC增量式光柵讀數頭，并配用RTLC直線鋼帶柵尺和FASTRACK?導軌系統。

TONiC系列產品是設計用于高動態精密運動控制系統的超緊湊型 (35 mm x 13.5 mm x 10 mm) 非接觸式增量式光柵，具備多項先進功能，精度、速度和可靠性均創新高。它支持的機器工作速度最高可達10 m/s，當與外部Ti信號接口配用時，借助電子細分技術，其分辨率可達1 nm。

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

在Sam-Jeong的設備上，TONiC光柵讀數頭與輕薄小巧的RTLC不銹鋼鋼帶柵尺配合使用，沿X軸和Y軸在總長為500 mm的測頭行程內執行測量。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軌；正如Hee-nok先生所解釋：

“我們設備的龍門機構是用鋁材精加工制成的，所以必須防止熱膨脹對光柵系統的精度造成不利影響，于是我們使用RTLC柵尺并配用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范圍內任意膨脹，原理就像是柵尺‘懸浮’在基體上。”

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

FASTRACK的另一個優點是安裝簡便。在需要拆解運輸的大型設備上，即使空間狹小受限，也可以輕松地將柵尺從導軌上拆下，并可在設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時間。

借助TONiC光柵實現的運動控制系統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，系統重復精度也同樣重要，因為高重復性系統可以通過控制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復精度為±1 μm。在一些設計精密的電路板上，如BGA（球柵陣列）電路板，焊錫球之間的距離僅有50 μm左右，這需要確保測頭精確落在錫球上進行阻抗測量。TONiC光柵的重復精度可以達到單位分辨率，大大提高了我們執行系統優化（包括參數補償）的靈活性。”

結果

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

VIONiC光柵

TONiC光柵系列的成功推動雷尼紹開發了VIONiC光柵系列。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，不再需要使用外部接口。VIONiC適用于直線和旋轉位置反饋應用，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。

關于雷尼紹

雷尼紹是世界領先的工程科技公司之一，在精密測量和醫療保健領域擁有專業技術。公司向眾多行業和領域提供產品和服務 — 從飛機引擎、風力渦輪發電機制造，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱3D打印）領域居領導地位，是英國唯一一家設計和制造工業用增材制造設備（通過金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個國家/地區設有70多個分支機構，員工逾4,500人，其中3,000余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發和制造均在英國本土進行，在截至2018年6月的2018財年，雷尼紹實現了6.115億英鎊的銷售額，其中95%來自出口業務。公司最大的市場為中國、美國、德國和日本。