1 Johdanto

Piirilevy (PCB) signaalin eheys on ollut kuuma aihe viime vuosina. Piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analysoinnista on tehty useita kotimaisia ​​tutkimusraportteja, mutta signaalihäviötesti Johdatus tekniikan nykytilaan on suhteellisen harvinaista.

PCB-siirtolinjan signaalihäviön lähde on materiaalin johtimen häviö ja dielektrinen häviö, ja siihen vaikuttavat myös sellaiset tekijät kuin kuparikalvon vastus, kuparikalvon karheus, säteilyhäviö, impedanssin epäsuhta ja ylikuuluminen. Toimitusketjussa kuparipinnoitettujen laminaattien (CCL) valmistajien ja PCB express -valmistajien hyväksymisindikaattorit käyttävät dielektristä vakiota ja dielektristä häviötä; kun taas PCB express -valmistajien ja liittimien väliset ilmaisimet käyttävät yleensä impedanssia ja liitäntähäviötä, kuten kuvassa 1 on esitetty.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

Nopeiden piirilevyjen suunnittelussa ja käytössä, kuinka nopeasti ja tehokkaasti mitataan piirilevyn siirtolinjojen signaalihäviö, on suuri merkitys piirilevyjen suunnitteluparametrien asettamisessa, simulointivirheenkorjauksessa ja tuotantoprosessin ohjauksessa.

2. PCB-liitoshäviön testaustekniikan nykytila

Tällä hetkellä teollisuudessa käytetyt PCB-signaalihäviön testausmenetelmät luokitellaan käytettyjen instrumenttien perusteella ja ne voidaan jakaa kahteen kategoriaan: aika-alueen tai taajuusalueen perusteella. Aika-alueen testilaite on Time Domain Reflectometry (TDR) tai aika-alueen lähetysmittari (TImeDomain Transmission, TDT); taajuusalueen testauslaite on Vector Network Analyzer (VNA). IPC-TM650-testispesifikaatiossa suositellaan viittä testimenetelmää piirilevyn signaalihäviötestaukseen: taajuusalueen menetelmä, tehollisen kaistanleveyden menetelmä, juuripulssienergiamenetelmä, lyhytpulssin etenemismenetelmä, yksipäinen TDR-differentiaalinen lisäyshäviömenetelmä.

2.1 Taajuusalueen menetelmä

Taajuusalueen menetelmä käyttää pääasiassa vektoriverkkoanalysaattoria mittaamaan siirtojohdon S-parametrit, lukee suoraan lisäyshäviön arvon ja käyttää sitten keskimääräisen lisäyshäviön sovituskulmaa tietyllä taajuusalueella (kuten 1 GHz ~). 5 GHz) Mittaa kortin hyväksyntä/epäonnistuminen.

Taajuusalueen menetelmän mittaustarkkuuden ero johtuu pääasiassa kalibrointimenetelmästä. Eri kalibrointimenetelmien mukaan se voidaan jakaa SLOT (Short-Line-Open-Thru), Multi-Line TRL (Thru-Reflect-Line) ja Ecal (Electronic calibraTion) elektronisiin kalibrointimenetelmiin.

SLOTia pidetään yleensä vakiokalibrointimenetelmänä [5]. Kalibrointimallissa on 12 virheparametria. SLOT-menetelmän kalibrointitarkkuus määräytyy kalibrointiosien mukaan. Mittauslaitteiden valmistajat tarjoavat korkean tarkkuuden kalibrointiosat, mutta kalibrointiosat ovat kalliita, ja ne sopivat yleensä vain koaksiaaliseen ympäristöön, kalibrointi on aikaa vievää ja kasvaa geometrisesti mittausliittimien määrän kasvaessa.

MultiLine TRL -menetelmää käytetään pääasiassa ei-koaksiaaliseen kalibrointimittaukseen [6]. TRL-kalibrointiosat suunnitellaan ja valmistetaan käyttäjän käyttämän siirtojohdon materiaalin ja testitaajuuden mukaan kuvan 2 mukaisesti. Vaikka Multi-Line TRL on helpompi suunnitella ja valmistaa kuin SLOT, kalibrointiaika Multi-Line TRL -menetelmä kasvaa myös geometrisesti mittauspäätteiden lukumäärän kasvaessa.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

Ratkaistakseen aikaa vievän kalibroinnin ongelman mittauslaitteiden valmistajat ovat ottaneet käyttöön elektronisen Ecal-kalibrointimenetelmän [7]. Ecal on vaihteistostandardi. Kalibrointitarkkuus määräytyy pääasiassa alkuperäisten kalibrointiosien mukaan. Samalla testataan testikaapelin vakautta ja testikiinnityslaitteen päällekkäisyyttä. Myös suorituskyvyn ja testitaajuuden interpolointialgoritmi vaikuttaa testin tarkkuuteen. Yleensä käytä elektronista kalibrointisarjaa kalibroidaksesi vertailupinnan testikaapelin päähän ja käytä sitten upotuksen poistomenetelmää kiinnittimen kaapelin pituuden kompensoimiseen. Kuten kuvassa 3 näkyy.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

Differentiaalisen siirtojohdon lisäyshäviön saamiseksi esimerkkinä kolmen kalibrointimenetelmän vertailu on esitetty taulukossa 1.

2.2 Tehokas kaistanleveysmenetelmä

Efektiivinen kaistanleveys (EBW) on laadullinen mittaus siirtolinjan häviöstä α suppeassa mielessä. Se ei voi tarjota kvantitatiivista lisäyshäviön arvoa, mutta se tarjoaa parametrin nimeltä EBW. Tehokas kaistanleveysmenetelmä on lähettää askelsignaali tietyllä nousuajalla siirtolinjaan TDR:n kautta, mitata nousuajan maksimi jyrkkyys TDR-instrumentin ja DUT:n yhdistämisen jälkeen ja määrittää se häviökertoimeksi MV:ssä. /s. Tarkemmin sanottuna se määrittää suhteellisen kokonaishäviötekijän, jonka avulla voidaan tunnistaa siirtojohtohäviön muutokset pinnasta pintaan tai kerroksesta kerrokseen [8]. Koska maksimikaltevuus voidaan mitata suoraan laitteesta, tehokkaan kaistanleveyden menetelmää käytetään usein painettujen piirilevyjen massatuotannon testaamiseen. EBW-testin kaaviokuva on esitetty kuvassa 4.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

2.3 Juuripulssienergiamenetelmä

Root ImPulse Energy (RIE) käyttää yleensä TDR-instrumenttia referenssihäviölinjan ja testisiirtolinjan TDR-aaltomuotojen saamiseksi ja suorittaa sitten signaalinkäsittelyn TDR-aaltomuodoille. RIE-testiprosessi on esitetty kuvassa 5:

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

2.4 Lyhyen pulssin etenemismenetelmä

Lyhyen pulssin etenemismenetelmän (Short Pulse Propagation, nimeltään SPP) testiperiaate on mitata kaksi eripituista siirtojohtoa, kuten 30 mm ja 100 mm, ja erottaa parametrin vaimennuskerroin ja vaihe mittaamalla näiden kahden välinen ero. siirtojohtojen pituudet. Vakio, kuten kuvassa 6. Tämän menetelmän käyttäminen voi minimoida liittimien, kaapeleiden, antureiden ja oskilloskoopin tarkkuuden vaikutuksen. Jos käytetään korkean suorituskyvyn TDR-laitteita ja IFN:ää (Impulse Forming Network), testitaajuus voi olla jopa 40 GHz.

2.5 Yksipäinen TDR-differentiaalinen lisäyshäviömenetelmä

Single-Ended TDR to Differential Insertion Loss (SET2DIL) eroaa differentiaalisen lisäyksen häviötestistä, jossa käytetään 4-porttista VNA:ta. Tämä menetelmä käyttää kaksiporttista TDR-instrumenttia TDR-askelvasteen lähettämiseen differentiaaliseen siirtolinjaan. Differentiaalisen siirtojohdon pää on oikosulussa, kuten kuvassa 7. Tyypillinen SET2DIL-menetelmän mittaustaajuusalue on 2 GHz ~ 12 GHz, ja mittaustarkkuuteen vaikuttavat pääasiassa testikaapelin epäjohdonmukainen viive ja DUT:n impedanssin epäsopivuus. SET2DIL-menetelmän etuna on, että ei tarvitse käyttää kallista 4-porttista VNA:ta ja sen kalibrointiosia. Testatun osan siirtojohdon pituus on vain puolet VNA-menetelmästä. Kalibrointiosan rakenne on yksinkertainen ja kalibrointiaika on huomattavasti lyhentynyt. Se sopii erittäin hyvin piirilevyjen valmistukseen. Erätesti, kuten kuvassa 8.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

3 Testauslaitteet ja testitulokset

SET2DIL-testilevy, SPP-testilevy ja Multi-Line TRL-testilevy valmistettiin käyttämällä CCL:ää, jonka dielektrisyysvakio oli 3.8, dielektrinen häviö 0.008, ja RTF-kuparikalvoa; testauslaitteisto oli DSA8300 näytteenottooskilloskooppi ja E5071C vektoriverkkoanalysaattori; Kunkin menetelmän differentiaalinen lisäyshäviö Testitulokset on esitetty taulukossa 2.

PCB-piirilevyn signaalin eheyteen vaikuttavien tekijöiden analyysi

4-päätelmä

Tämä artikkeli esittelee pääasiassa useita teollisuudessa tällä hetkellä käytössä olevia PCB-siirtolinjojen signaalihäviön mittausmenetelmiä. Erilaisten testausmenetelmien vuoksi mitatut sisäänpanohäviön arvot ovat erilaisia, eikä testituloksia voi suoraan verrata vaakasuunnassa. Siksi sopiva signaalihäviötestitekniikka tulee valita erilaisten teknisten menetelmien etujen ja rajoitusten mukaan ja yhdistää niiden omiin tarpeisiin.