1 Einführung

Leiterplatte (PCB) Signalintegrität war in den letzten Jahren ein heißes Thema. Es gab viele inländische Forschungsberichte über die Analyse von Faktoren, die die Signalintegrität von Leiterplatten beeinflussen, aber der Signalverlusttest Einführung in den aktuellen Stand der Technik ist relativ selten.

Die Quelle des Signalverlusts der PCB-Übertragungsleitung ist der Leiterverlust und der dielektrische Verlust des Materials, und er wird auch durch Faktoren wie Kupferfolienwiderstand, Kupferfolienrauheit, Strahlungsverlust, Impedanzfehlanpassung und Übersprechen beeinflusst. In der Lieferkette verwenden die Akzeptanzindikatoren der Hersteller von kupferbeschichteten Laminaten (CCL) und PCB-Express-Herstellern die Dielektrizitätskonstante und den Dielektrizitätsverlust; während die Indikatoren zwischen PCB-Express-Herstellern und Terminals normalerweise Impedanz und Einfügedämpfung verwenden, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Analyse der Einflussfaktoren der Signalintegrität von PCB-Leiterplatten

Für das Design und den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-PCBs ist die schnelle und effektive Messung des Signalverlusts von PCB-Übertragungsleitungen von großer Bedeutung für die Einstellung von PCB-Designparametern, das Simulations-Debugging und die Steuerung des Produktionsprozesses.

2. Aktueller Stand der PCB-Einfügungsdämpfungs-Testtechnologie

Die derzeit in der Industrie verwendeten Prüfverfahren für PCB-Signalverluste werden nach den verwendeten Instrumenten klassifiziert und können in zwei Kategorien eingeteilt werden: basierend auf dem Zeitbereich oder basierend auf dem Frequenzbereich. Das Zeitbereichsprüfgerät ist ein Zeitbereichsreflektometrie (TDR) oder ein Zeitbereichsübertragungsmesser (TImeDomain Transmission, TDT); das Frequenzbereichstestinstrument ist ein Vector Network Analyzer (VNA). In der IPC-TM650-Testspezifikation werden fünf Testmethoden für PCB-Signalverlusttests empfohlen: Frequenzbereichsmethode, effektive Bandbreitenmethode, Wurzelpulsenergiemethode, Kurzpulsausbreitungsverfahren, Single-Ended-TDR-Differential-Einfügungsdämpfungsverfahren.

2.1 Frequenzbereichsmethode

Die Frequenzbereichsmethode verwendet hauptsächlich einen Vektornetzwerkanalysator, um die S-Parameter der Übertragungsleitung zu messen, liest direkt den Wert der Einfügungsdämpfung und verwendet dann die passende Steigung der durchschnittlichen Einfügungsdämpfung in einem bestimmten Frequenzbereich (z. B. 1 GHz ~ 5 GHz) Messen Sie das Pass/Fail des Boards.

Der Unterschied in der Messgenauigkeit der Frequenzbereichsmethode resultiert hauptsächlich aus der Kalibrierungsmethode. Sie kann nach den verschiedenen Kalibrierverfahren in die elektronischen Kalibrierverfahren SLOT (Short-Line-Open-Thru), MulTI-Line TRL (Thru-Reflect-Line) und Ecal (Elektronische Kalibrierung) unterteilt werden.

SLOT wird üblicherweise als Standardkalibrierungsmethode angesehen [5]. Das Kalibriermodell hat 12 Fehlerparameter. Die Kalibriergenauigkeit der SLOT-Methode wird durch die Kalibrierteile bestimmt. Die hochpräzisen Kalibrierteile werden von den Messgeräteherstellern bereitgestellt, aber die Kalibrierteile sind teuer und im Allgemeinen nur für koaxiale Umgebung geeignet, die Kalibrierung ist zeitaufwändig und nimmt geometrisch mit der Anzahl der Messanschlüsse zu.

Die MulTI-Line TRL-Methode wird hauptsächlich für nicht-koaxiale Kalibriermessungen verwendet [6]. Abhängig vom Material der vom Benutzer verwendeten Übertragungsleitung und der Testfrequenz werden die TRL-Kalibrierteile entworfen und hergestellt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Obwohl Multi-Line TRL einfacher zu entwerfen und herzustellen ist als SLOT, beträgt die Kalibrierzeit von Das Multi-Line-TRL-Verfahren nimmt auch geometrisch mit der Zunahme der Anzahl der Messanschlüsse zu.

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Um das Problem der zeitaufwendigen Kalibrierung zu lösen, haben Messgerätehersteller das elektronische Kalibrierverfahren Ecal eingeführt [7]. Ecal ist ein Übertragungsstandard. Die Kalibriergenauigkeit wird hauptsächlich durch die Original-Kalibrierteile bestimmt. Gleichzeitig werden die Stabilität des Prüfkabels und die Verdopplung der Prüfadaptervorrichtung geprüft. Auch der Interpolationsalgorithmus von Leistung und Testfrequenz hat einen Einfluss auf die Testgenauigkeit. Verwenden Sie im Allgemeinen das elektronische Kalibrierungskit, um die Referenzfläche bis zum Ende des Testkabels zu kalibrieren, und verwenden Sie dann die De-Embedding-Methode, um die Kabellänge der Halterung zu kompensieren. Wie in Abbildung 3 gezeigt.

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To obtain the insertion loss of the differential transmission line as an example, the comparison of the three calibration methods is shown in Table 1.

2.2 Methode der effektiven Bandbreite

Die effektive Bandbreite (EBW) ist eine qualitative Messung des Übertragungsleitungsverlustes α im engeren Sinne. Es kann keinen quantitativen Wert der Einfügungsdämpfung liefern, aber es liefert einen Parameter namens EBW. Die Methode der effektiven Bandbreite besteht darin, ein Stufensignal mit einer bestimmten Anstiegszeit über den TDR auf die Übertragungsleitung zu übertragen, die maximale Steigung der Anstiegszeit nach dem Verbinden des TDR-Instruments und des DUT zu messen und sie als Verlustfaktor in MV . zu bestimmen /S. Genauer gesagt wird ein relativer Gesamtverlustfaktor bestimmt, der verwendet werden kann, um die Änderungen der Übertragungsleitungsdämpfung von Oberfläche zu Oberfläche oder von Schicht zu Schicht zu identifizieren [8]. Da die maximale Steilheit direkt vom Gerät gemessen werden kann, wird die Methode der effektiven Bandbreite häufig für die Massenproduktionsprüfung von Leiterplatten verwendet. Das schematische Diagramm des EBW-Tests ist in Abbildung 4 dargestellt.

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2.3 Wurzelimpulsenergiemethode

Root ImPulse Energy (RIE) verwendet normalerweise ein TDR-Instrument, um die TDR-Wellenformen der Referenzverlustleitung und der Testübertragungsleitung zu erhalten und dann eine Signalverarbeitung an den TDR-Wellenformen durchzuführen. Der RIE-Testprozess ist in Abbildung 5 dargestellt:

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2.4 Kurzpulsausbreitungsverfahren

Das Testprinzip der Kurzpulsausbreitung (Short Pulse Propagation, kurz SPP) besteht darin, zwei Übertragungsleitungen unterschiedlicher Länge, z. B. 30 mm und 100 mm, zu messen und den Parameter Dämpfungskoeffizient und Phase durch Messung der Differenz zwischen den beiden zu extrahieren Übertragungsleitungslängen. Konstant, wie in Abbildung 6 gezeigt. Mit dieser Methode können die Auswirkungen von Steckern, Kabeln, Tastköpfen und der Oszilloskopgenauigkeit minimiert werden. Bei Verwendung von Hochleistungs-TDR-Geräten und IFN (Impulse Forming Network) kann die Prüffrequenz bis zu 40 GHz betragen.

2.5 Single-Ended-TDR-Methode mit differentieller Einfügungsdämpfung

Single-Ended TDR zu differentieller Einfügungsdämpfung (SET2DIL) unterscheidet sich vom differentiellen Einfügungsdämpfungstest mit 4-Port-VNA. Bei dieser Methode wird ein Zweitor-TDR-Instrument verwendet, um die TDR-Sprungantwort an die differentielle Übertragungsleitung zu übertragen. Das Ende der differentiellen Übertragungsleitung ist kurzgeschlossen, wie in Abbildung 7 gezeigt. Der typische Messfrequenzbereich der SET2DIL-Methode beträgt 2 GHz ~ 12 GHz, und die Messgenauigkeit wird hauptsächlich durch die inkonsistente Verzögerung des Testkabels und die Impedanzfehlanpassung des DUT beeinflusst. Der Vorteil der SET2DIL-Methode besteht darin, dass kein teurer 4-Tor-VNA und seine Kalibrierteile verwendet werden müssen. Die Länge der Übertragungsleitung des getesteten Teils beträgt nur die Hälfte der VNA-Methode. Der Kalibrierteil hat einen einfachen Aufbau und die Kalibrierzeit wird stark reduziert. Es ist sehr gut für die Leiterplattenherstellung geeignet. Batch-Test, wie in Abbildung 8 gezeigt.

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3 Prüfmittel und Prüfergebnisse

SET2DIL-Testboard, SPP-Testboard und Multi-Line TRL-Testboard wurden unter Verwendung von CCL mit einer Dielektrizitätskonstante von 3.8, einem dielektrischen Verlust von 0.008 und einer RTF-Kupferfolie hergestellt; Testausrüstung war DSA8300 Abtastoszilloskop und E5071C Vektornetzwerkanalysator; differentielle Einfügungsdämpfung jeder Methode Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

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4 Fazit

Dieser Artikel stellt hauptsächlich verschiedene Methoden zur Messung des Signalverlusts von PCB-Übertragungsleitungen vor, die derzeit in der Industrie verwendet werden. Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Testmethoden sind die gemessenen Werte der Einfügedämpfung unterschiedlich und die Testergebnisse können nicht direkt horizontal verglichen werden. Daher sollte die geeignete Signalverlusttesttechnologie entsprechend den Vorteilen und Grenzen verschiedener technischer Verfahren ausgewählt und mit den eigenen Bedürfnissen kombiniert werden.