1 مقدمه

تخته مدار چاپی یکپارچگی سیگنال (PCB) یک موضوع داغ در سال های اخیر بوده است. گزارش‌های تحقیقاتی داخلی زیادی در مورد تجزیه و تحلیل عوامل مؤثر بر یکپارچگی سیگنال PCB وجود دارد، اما آزمایش از دست دادن سیگنال مقدمه‌ای بر وضعیت فعلی فناوری نسبتاً نادر است.

منبع تلفات سیگنال خط انتقال PCB از دست دادن هادی و از دست دادن دی الکتریک مواد است و همچنین تحت تأثیر عواملی مانند مقاومت فویل مسی، زبری ورق مسی، افت تشعشع، عدم تطابق امپدانس و تداخل است. در زنجیره تامین، شاخص‌های پذیرش تولیدکنندگان لمینت با روکش مس (CCL) و تولیدکنندگان اکسپرس PCB از ثابت دی الکتریک و تلفات دی الکتریک استفاده می‌کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، نشانگرهای بین سازندگان PCB express و پایانه ها معمولاً از امپدانس و تلفات درج استفاده می کنند.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

برای طراحی و استفاده از PCB با سرعت بالا، نحوه اندازه‌گیری سریع و مؤثر اتلاف سیگنال خطوط انتقال PCB برای تنظیم پارامترهای طراحی PCB، اشکال‌زدایی شبیه‌سازی و کنترل فرآیند تولید اهمیت زیادی دارد.

2. وضعیت فعلی فن آوری تست تلفات درج PCB

روش‌های تست تلفات سیگنال PCB که در حال حاضر در صنعت استفاده می‌شوند، از ابزارهای مورد استفاده طبقه‌بندی می‌شوند و می‌توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: بر اساس حوزه زمان یا بر اساس دامنه فرکانس. ابزار تست حوزه زمان یک بازتاب سنجی دامنه زمانی (TDR) یا یک متر انتقال دامنه زمان (TimeDomain Transmission، TDT) است. ابزار آزمون دامنه فرکانس یک تحلیلگر شبکه برداری (VNA) است. در مشخصات تست IPC-TM650، پنج روش تست برای تست تلفات سیگنال PCB توصیه می شود: روش دامنه فرکانس، روش پهنای باند موثر، روش انرژی پالس ریشه، روش انتشار پالس کوتاه، روش تلفات درج تفاضلی TDR تک سر.

2.1 روش دامنه فرکانس

روش دامنه فرکانس عمدتاً از یک تحلیلگر شبکه برداری برای اندازه‌گیری پارامترهای S خط انتقال استفاده می‌کند، مستقیماً مقدار تلفات درج را می‌خواند و سپس از شیب برازش میانگین تلفات درج در یک محدوده فرکانسی خاص (مانند 1 گیگاهرتز ~) استفاده می‌کند. 5 گیگاهرتز) گذر/شکست برد را اندازه گیری کنید.

تفاوت در دقت اندازه گیری روش حوزه فرکانس عمدتاً از روش کالیبراسیون ناشی می شود. با توجه به روش‌های مختلف کالیبراسیون، می‌توان آن را به روش‌های کالیبراسیون الکترونیکی SLOT (خط کوتاه-باز-تا)، Multi-Line TRL (Thru-Reflect-Line) و Ecal (کالیبراسیون الکترونیکی) تقسیم کرد.

SLOT معمولا به عنوان یک روش کالیبراسیون استاندارد در نظر گرفته می شود [5]. مدل کالیبراسیون دارای 12 پارامتر خطا است. دقت کالیبراسیون روش SLOT توسط قطعات کالیبراسیون تعیین می شود. قطعات کالیبراسیون با دقت بالا توسط سازندگان تجهیزات اندازه گیری ارائه می شود، اما قطعات کالیبراسیون گران هستند و به طور کلی فقط برای محیط کواکسیال مناسب هستند، کالیبراسیون زمان بر است و با افزایش تعداد پایانه های اندازه گیری از نظر هندسی افزایش می یابد.

روش Multi-Line TRL عمدتاً برای اندازه گیری کالیبراسیون غیرهم محور استفاده می شود [6]. با توجه به مواد خط انتقال استفاده شده توسط کاربر و فرکانس آزمایش، قطعات کالیبراسیون TRL همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است طراحی و تولید می شوند. اگرچه طراحی و ساخت TRL Multi-Line نسبت به SLOT آسان تر است، اما زمان کالیبراسیون روش TRL چند خطی نیز با افزایش تعداد پایانه های اندازه گیری از نظر هندسی افزایش می یابد.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

به منظور حل مشکل زمان بر کالیبراسیون، سازندگان تجهیزات اندازه گیری، روش کالیبراسیون الکترونیکی Ecal را معرفی کرده اند [7]. Ecal یک استاندارد انتقال است. دقت کالیبراسیون عمدتا توسط قطعات کالیبراسیون اصلی تعیین می شود. در عین حال، پایداری کابل تست و تکراری بودن دستگاه فیکسچر تست تست می شود. الگوریتم درون یابی عملکرد و فرکانس تست نیز بر دقت تست تاثیر دارد. به طور کلی، از کیت کالیبراسیون الکترونیکی برای کالیبره کردن سطح مرجع تا انتهای کابل تست استفاده کنید و سپس از روش جاسازی برای جبران طول کابل فیکسچر استفاده کنید. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

برای به دست آوردن تلفات ورودی خط انتقال دیفرانسیل به عنوان مثال، مقایسه سه روش کالیبراسیون در جدول 1 نشان داده شده است.

2.2 روش پهنای باند موثر

پهنای باند موثر (EBW) یک اندازه گیری کیفی تلفات خط انتقال α به معنای دقیق است. نمی تواند یک مقدار کمی از تلفات درج را ارائه دهد، اما پارامتری به نام EBW را ارائه می دهد. روش پهنای باند موثر این است که یک سیگنال پله با زمان افزایش مشخص به خط انتقال از طریق TDR ارسال شود، حداکثر شیب زمان افزایش پس از اتصال دستگاه TDR و DUT اندازه گیری شود و آن را به عنوان ضریب تلفات در MV تعیین کنیم. /s به‌طور دقیق‌تر، چیزی که تعیین می‌کند یک ضریب تلفات کل نسبی است که می‌تواند برای شناسایی تغییرات در تلفات خط انتقال از سطح به سطح یا لایه به لایه استفاده شود [8]. از آنجایی که حداکثر شیب را می توان مستقیماً از دستگاه اندازه گیری کرد، روش پهنای باند مؤثر اغلب برای آزمایش تولید انبوه بردهای مدار چاپی استفاده می شود. نمودار شماتیک تست EBW در شکل 4 نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

2.3 روش انرژی پالس ریشه

Root Impulse Energy (RIE) معمولاً از یک ابزار TDR برای بدست آوردن شکل موج TDR خط تلفات مرجع و خط انتقال آزمایشی استفاده می کند و سپس پردازش سیگنال را روی شکل موج های TDR انجام می دهد. فرآیند تست RIE در شکل 5 نشان داده شده است:

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

2.4 روش انتشار پالس کوتاه

روش انتشار پالس کوتاه (Short Pulse Propagation یا SPP) برای اندازه گیری دو خط انتقال با طول های مختلف مانند 30 میلی متر و 100 میلی متر و استخراج ضریب تضعیف پارامتر و فاز با اندازه گیری اختلاف بین این دو است. طول خطوط انتقال ثابت، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. استفاده از این روش می تواند تاثیر کانکتورها، کابل ها، پروب ها و دقت اسیلوسکوپ را به حداقل برساند. اگر از ابزارهای TDR با کارایی بالا و IFN (Impulse Forming Network) استفاده شود، فرکانس تست می تواند تا 40 گیگاهرتز باشد.

2.5 روش تلفات درج دیفرانسیل TDR تک سر

TDR تک پایانی به افت درج دیفرانسیل (SET2DIL) با آزمایش تلفات درج تفاضلی با استفاده از VNA 4 پورت متفاوت است. این روش از یک ابزار TDR دو پورت برای انتقال پاسخ مرحله TDR به خط انتقال دیفرانسیل استفاده می کند. انتهای خط انتقال دیفرانسیل کوتاه است، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. محدوده فرکانس اندازه گیری معمولی روش SET2DIL 2 گیگاهرتز است. 12 گیگاهرتز، و دقت اندازه گیری عمدتاً تحت تأثیر تأخیر ناسازگار کابل آزمایش و عدم تطابق امپدانس DUT است. مزیت روش SET2DIL این است که نیازی به استفاده از VNA 4 پورت گران قیمت و قطعات کالیبراسیون آن نیست. طول خط انتقال قطعه تست شده فقط نیمی از روش VNA است. قسمت کالیبراسیون ساختار ساده ای دارد و زمان کالیبراسیون بسیار کاهش می یابد. برای ساخت PCB بسیار مناسب است. آزمایش دسته ای، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

3 تجهیزات تست و نتایج آزمایش

برد تست SET2DIL، تخته تست SPP و تخته تست Multi-Line TRL با استفاده از CCL با ثابت دی الکتریک 3.8، تلفات دی الکتریک 0.008، و فویل مس RTF ساخته شدند. تجهیزات آزمایش اسیلوسکوپ نمونه برداری DSA8300 و تحلیلگر شبکه برداری E5071C بود. از دست دادن تفاضلی درج هر روش نتایج آزمون در جدول 2 نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر یکپارچگی سیگنال برد مدار چاپی PCB

نتیجه گیری 4

این مقاله عمدتاً چندین روش اندازه گیری تلفات سیگنال خط انتقال PCB را معرفی می کند که در حال حاضر در صنعت استفاده می شود. با توجه به روش‌های مختلف تست مورد استفاده، مقادیر تلفات اندازه‌گیری شده متفاوت است و نتایج آزمایش را نمی‌توان مستقیماً به صورت افقی مقایسه کرد. بنابراین، فناوری تست تلفات سیگنال مناسب باید با توجه به مزایا و محدودیت‌های روش‌های فنی مختلف انتخاب شود و با نیازهای خود ترکیب شود.