1 מבוא

המעגל המודפס שלמות האות (PCB) הייתה נושא חם בשנים האחרונות. היו דוחות מחקר מקומיים רבים על ניתוח גורמים המשפיעים על שלמות אותות PCB, אך מבחן אובדן האותות מבוא למצב הנוכחי של הטכנולוגיה נדיר יחסית.

המקור לאובדן אות קו התמסורת PCB הוא אובדן המוליכים והאובדן הדיאלקטרי של החומר, והוא מושפע גם מגורמים כמו התנגדות של רדיד נחושת, חספוס של רדיד נחושת, אובדן קרינה, אי התאמה של עכבה ודיבור. בשרשרת האספקה, מדדי הקבלה של יצרני למינציה בחיפוי נחושת (CCL) ויצרני PCB אקספרס משתמשים בקבוע דיאלקטרי ואובדן דיאלקטרי; בעוד שהאינדיקטורים בין יצרני PCB אקספרס למסופים משתמשים בדרך כלל בעכבה ואובדן הכנסה, כפי שמוצג באיור 1.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

עבור תכנון ושימוש ב-PCB במהירות גבוהה, כיצד למדוד במהירות וביעילות את אובדן האות של קווי תמסורת PCB יש משמעות רבה לקביעת פרמטרי עיצוב PCB, איתור באגים בסימולציה ובקרה על תהליך הייצור.

2. מצב נוכחי של טכנולוגיית בדיקת אובדן החדרת PCB

שיטות בדיקת הפסדי אותות PCB המשמשות כיום בתעשייה מסווגות מהמכשירים המשמשים, וניתן לחלקם לשתי קטגוריות: על סמך תחום הזמן או על סמך תחום התדר. מכשיר הבדיקה של תחום הזמן הוא רפלקטומטריית זמן (TDR) או מד שידור של תחום זמן (TImeDomain Transmission, TDT); מכשיר הבדיקה של תחום התדר הוא מנתח רשת וקטור (VNA). במפרט הבדיקה IPC-TM650, חמש שיטות בדיקה מומלצות לבדיקת אובדן אותות PCB: שיטת תחום התדר, שיטת רוחב פס יעילה, שיטת אנרגיית פעימה שורש, שיטת התפשטות פולסים קצרים, שיטת אובדן הכנסה דיפרנציאלית של TDR חד-קצה.

2.1 שיטת תחום התדרים

שיטת תחום התדר משתמשת בעיקר בנתח רשת וקטור למדידת פרמטרי ה-S של קו ההולכה, קוראת ישירות את ערך אובדן ההכנסה, ולאחר מכן משתמשת בשיפוע ההתאמה של אובדן ההכנסה הממוצע בטווח תדרים ספציפי (כגון 1 GHz ~ 5 GHz) מדוד את המעבר/הכשל של הלוח.

ההבדל בדיוק המדידה של שיטת תחום התדר נובע בעיקר משיטת הכיול. על פי שיטות הכיול השונות, ניתן לחלק אותו לשיטות כיול אלקטרוני SLOT (Short-Line-Open-Thru), Multi-Line TRL (Thru-Reflect-Line) ו-Ecal (כיול אלקטרוני).

SLOT נחשב בדרך כלל כשיטת כיול סטנדרטית [5]. למודל הכיול 12 פרמטרים של שגיאה. דיוק הכיול של שיטת SLOT נקבע לפי חלקי הכיול. חלקי הכיול ברמת הדיוק הגבוהה מסופקים על ידי יצרני ציוד המדידה, אך חלקי הכיול יקרים, ובדרך כלל מתאימים רק לסביבה קואקסיאלית, הכיול לוקח זמן רב ועולה מבחינה גיאומטרית ככל שמספר מסופי המדידה גדל.

שיטת Multi-Line TRL משמשת בעיקר למדידת כיול לא קואקסיאלי [6]. על פי חומר קו ההולכה בו משתמש המשתמש ותדירות הבדיקה, חלקי כיול TRL מתוכננים ומיוצרים, כפי שמוצג באיור 2. למרות ש- Multi-Line TRL קל יותר לתכנון וייצור מאשר SLOT, זמן הכיול של שיטת Multi-Line TRL עולה גם מבחינה גיאומטרית עם הגדלת מספר מסופי המדידה.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

על מנת לפתור את בעיית הכיול שגוזל זמן, יצרני ציוד המדידה הציגו את שיטת הכיול האלקטרוני Ecal [7]. Ecal הוא תקן תמסורת. דיוק הכיול נקבע בעיקר על ידי חלקי הכיול המקוריים. במקביל, נבדקות יציבות כבל הבדיקה ושכפול מתקן הבדיקה. גם לאלגוריתם האינטרפולציה של ביצועים ותדירות הבדיקה יש השפעה על דיוק הבדיקה. בדרך כלל, השתמש בערכת הכיול האלקטרונית כדי לכייל את משטח הייחוס לקצה כבל הבדיקה, ולאחר מכן השתמש בשיטת ביטול ההטבעה כדי לפצות על אורך הכבל של המתקן. כפי שמוצג באיור 3.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

כדי לקבל את אובדן ההחדרה של קו ההולכה הדיפרנציאלי כדוגמה, ההשוואה בין שלוש שיטות הכיול מוצגת בטבלה 1.

2.2 שיטת רוחב פס יעילה

רוחב פס אפקטיבי (EBW) הוא מדידה איכותית של אובדן קו תמסורת α במובן קפדני. זה לא יכול לספק ערך כמותי של אובדן הכנסה, אבל הוא מספק פרמטר שנקרא EBW. שיטת רוחב הפס האפקטיבית היא להעביר אות צעד עם זמן עלייה ספציפי לקו ההולכה דרך TDR, למדוד את השיפוע המרבי של זמן העלייה לאחר חיבור מכשיר ה-TDR וה-DUT, ולקבוע אותו כגורם ההפסד, ב-MV /s. ליתר דיוק, מה שהוא קובע הוא גורם הפסד מוחלט יחסי, שניתן להשתמש בו כדי לזהות את השינויים באובדן קו התמסורת ממשטח למשטח או משכבה לשכבה [8]. מכיוון שניתן למדוד את השיפוע המרבי ישירות מהמכשיר, שיטת רוחב הפס האפקטיבית משמשת לעתים קרובות לבדיקות ייצור המוני של מעגלים מודפסים. התרשים הסכמטי של מבחן EBW מוצג באיור 4.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

2.3 שיטת אנרגיית דופק שורש

Root ImPulse Energy (RIE) משתמש בדרך כלל במכשיר TDR כדי להשיג את צורות הגל TDR של קו אובדן הייחוס וקו השידור הבדיקה, ולאחר מכן לבצע עיבוד אותות על צורות הגל TDR. תהליך בדיקת RIE מוצג באיור 5:

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

2.4 שיטת התפשטות דופק קצר

עקרון הבדיקה של שיטת התפשטות הדופק הקצר (Short Pulse Propagation, המכונה SPP) הוא למדוד שני קווי תמסורת באורכים שונים, כגון 30 מ”מ ו-100 מ”מ, ולחלץ את מקדם ההנחתה והפאזה על ידי מדידת ההפרש בין השניים. אורכי קו תמסורת. קבוע, כפי שמוצג באיור 6. שימוש בשיטה זו יכול למזער את ההשפעה של מחברים, כבלים, בדיקות ודיוק האוסילוסקופ. אם נעשה שימוש במכשירי TDR בעלי ביצועים גבוהים ו-IFN (Impulse Forming Network), תדר הבדיקה יכול להגיע עד 40 GHz.

2.5 שיטת אובדן הכנסה דיפרנציאלית של TDR חד-קצה

TDR חד-קצה לאובדן הכנסה דיפרנציאלית (SET2DIL) שונה ממבחן אובדן הכנסה דיפרנציאלית באמצעות VNA עם 4 יציאות. שיטה זו משתמשת במכשיר TDR עם שתי יציאות כדי להעביר את תגובת הצעד TDR לקו ההולכה הדיפרנציאלי, קצה קו ההולכה הדיפרנציאלי מקוצר, כפי שמוצג באיור 7. טווח תדרי המדידה האופייני של שיטת SET2DIL הוא 2 GHz ~ 12 גיגה-הרץ, ודיוק המדידה מושפע בעיקר מהשהייה הבלתי עקבית של כבל הבדיקה ואי-התאמה של העכבה של ה-DUT. היתרון של שיטת SET2DIL הוא שאין צורך להשתמש ב-VNA יקר בעל 4 יציאות ובחלקי הכיול שלו. אורך קו ההולכה של החלק הנבדק הוא רק מחצית משיטת ה-VNA. לחלק הכיול מבנה פשוט וזמן הכיול מצטמצם מאוד. זה מתאים מאוד לייצור PCB. בדיקת אצווה, כפי שמוצג באיור 8.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

3 ציוד בדיקה ותוצאות בדיקה

לוח בדיקה SET2DIL, לוח בדיקה SPP ולוח בדיקה Multi-Line TRL יוצרו באמצעות CCL עם קבוע דיאלקטרי של 3.8, אובדן דיאלקטרי של 0.008, ורדיד נחושת RTF; ציוד הבדיקה היה אוסילוסקופ דגימה DSA8300 ומנתח רשת וקטור E5071C; אובדן הכנסה דיפרנציאלית של כל שיטה תוצאות הבדיקה מוצגות בטבלה 2.

ניתוח של גורמים משפיעים של שלמות האותות של לוח מעגלים מודפסים PCB

סיכום 4

מאמר זה מציג בעיקר מספר שיטות מדידת אובדן אותות קו תמסורת PCB המשמשות כיום בתעשייה. בשל שיטות הבדיקה השונות בהן נעשה שימוש, ערכי אובדן ההחדרה הנמדדים שונים, ולא ניתן להשוות ישירות את תוצאות הבדיקה אופקית. לכן, יש לבחור את טכנולוגיית בדיקת אובדן האות המתאימה בהתאם ליתרונות ולמגבלות של שיטות טכניות שונות, ולשלב אותה עם הצרכים שלהן.