1 Inleiding

Printplaat (PCB) signaalintegriteit is de laatste jaren een hot topic. Er zijn veel binnenlandse onderzoeksrapporten verschenen over de analyse van factoren die de signaalintegriteit van PCB’s beïnvloeden, maar de signaalverliestest Inleiding tot de huidige stand van de technologie is relatief zeldzaam.

De bron van signaalverlies van de PCB-transmissielijn is het geleiderverlies en het diëlektrische verlies van het materiaal, en het wordt ook beïnvloed door factoren zoals koperfolieweerstand, koperfolieruwheid, stralingsverlies, impedantiemismatch en overspraak. In de toeleveringsketen gebruiken de acceptatie-indicatoren van fabrikanten van koper bekleed laminaat (CCL) en fabrikanten van PCB-express diëlektrische constante en diëlektrisch verlies; terwijl de indicatoren tussen PCB-express-fabrikanten en terminals meestal impedantie en invoegverlies gebruiken, zoals weergegeven in figuur 1.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

Voor high-speed PCB-ontwerp en gebruik, is het snel en effectief meten van het signaalverlies van PCB-transmissielijnen van groot belang voor het instellen van PCB-ontwerpparameters, simulatie-foutopsporing en controle van het productieproces.

2. Huidige status van testtechnologie voor PCB-insertieverlies:

De testmethoden voor PCB-signaalverlies die momenteel in de industrie worden gebruikt, zijn geclassificeerd op basis van de gebruikte instrumenten en kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: op basis van het tijdsdomein of op basis van het frequentiedomein. Het tijddomeintestinstrument is een tijddomeinreflectometrie (TDR) of een tijddomeintransmissiemeter (TImeDomain Transmission, TDT); het frequentiedomein-testinstrument is een Vector Network Analyzer (VNA). In de IPC-TM650-testspecificatie worden vijf testmethoden aanbevolen voor het testen van PCB-signaalverlies: frequentiedomeinmethode, effectieve bandbreedtemethode, wortelpulsenergiemethode, korte pulsvoortplantingsmethode, single-ended TDR differentiële insertieverliesmethode.

2.1 Frequentiedomeinmethode

De Frequency Domain-methode gebruikt voornamelijk een vectornetwerkanalysator om de S-parameters van de transmissielijn te meten, leest direct de waarde van het invoegverlies en gebruikt vervolgens de passende helling van het gemiddelde invoegverlies in een specifiek frequentiebereik (zoals 1 GHz ~ 5 GHz) Meet de pass/fail van het bord.

Het verschil in meetnauwkeurigheid van de frequentiedomeinmethode komt voornamelijk van de kalibratiemethode. Volgens de verschillende kalibratiemethoden kan het worden onderverdeeld in SLOT (Short-Line-Open-Thru), MulTI-Line TRL (Thru-Reflect-Line) en Ecal (Electronic calibraTIon) elektronische kalibratiemethoden.

SLOT wordt meestal beschouwd als een standaard kalibratiemethode [5]. Het kalibratiemodel heeft 12 foutparameters. De kalibratienauwkeurigheid van de SLOT-methode wordt bepaald door de kalibratieonderdelen. De zeer nauwkeurige kalibratieonderdelen worden geleverd door de fabrikanten van meetapparatuur, maar de kalibratieonderdelen zijn duur, en over het algemeen alleen geschikt voor coaxiale omgevingen, kalibratie is tijdrovend en neemt geometrisch toe naarmate het aantal meetterminals toeneemt.

De MulTI-Line TRL-methode wordt voornamelijk gebruikt voor niet-coaxiale kalibratiemetingen [6]. Afhankelijk van het materiaal van de transmissielijn die door de gebruiker wordt gebruikt en de testfrequentie, worden de TRL-kalibratieonderdelen ontworpen en geproduceerd, zoals weergegeven in figuur 2. Hoewel Multi-Line TRL gemakkelijker te ontwerpen en te vervaardigen is dan SLOT, is de kalibratietijd van Multi-Line TRL-methode neemt ook geometrisch toe met de toename van het aantal meetterminals.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

Om het probleem van tijdrovende kalibratie op te lossen, hebben fabrikanten van meetapparatuur de elektronische kalibratiemethode Ecal geïntroduceerd [7]. Ecal is een transmissiestandaard. De kalibratienauwkeurigheid wordt voornamelijk bepaald door de originele kalibratieonderdelen. Tegelijkertijd worden de stabiliteit van de testkabel en de duplicatie van het testopstellingsapparaat getest. Het interpolatie-algoritme van prestatie en testfrequentie heeft ook invloed op de testnauwkeurigheid. Gebruik over het algemeen de elektronische kalibratiekit om het referentieoppervlak tot aan het uiteinde van de testkabel te kalibreren en gebruik vervolgens de methode voor het verwijderen van de inbedding om de kabellengte van de armatuur te compenseren. Zoals weergegeven in figuur 3.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

Om het invoegverlies van de differentiële transmissielijn als voorbeeld te verkrijgen, wordt de vergelijking van de drie kalibratiemethoden weergegeven in tabel 1.

2.2 Effectieve bandbreedtemethode

Effectieve bandbreedte (EBW) is een kwalitatieve meting van transmissielijnverlies – in strikte zin. Het kan geen kwantitatieve waarde van invoegverlies geven, maar het biedt een parameter die EBW wordt genoemd. De effectieve bandbreedtemethode is om een ​​stapsignaal met een specifieke stijgtijd via TDR naar de transmissielijn te verzenden, de maximale helling van de stijgtijd te meten nadat het TDR-instrument en de DUT zijn aangesloten, en dit te bepalen als de verliesfactor, in MV /s. Meer precies, wat het bepaalt is een relatieve totale verliesfactor, die kan worden gebruikt om de veranderingen in het transmissielijnverlies van oppervlak tot oppervlak of van laag tot laag te identificeren [8]. Omdat de maximale helling direct vanaf het instrument kan worden gemeten, wordt de effectieve bandbreedtemethode vaak gebruikt voor massaproductietests van printplaten. Het schematische diagram van de EBW-test wordt weergegeven in figuur 4.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

2.3 Wortelpuls-energiemethode:

Root ImPulse Energy (RIE) gebruikt meestal een TDR-instrument om de TDR-golfvormen van de referentieverlieslijn en de testtransmissielijn te verkrijgen, en voert vervolgens signaalverwerking uit op de TDR-golfvormen. Het RIE-testproces wordt weergegeven in figuur 5:

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

2.4 Korte pulsvoortplantingsmethode

Het testprincipe van de korte-pulspropagatiemethode (Short Pulse Propagation, SPP genoemd) is om twee transmissielijnen van verschillende lengtes te meten, zoals 30 mm en 100 mm, en de parameterverzwakkingscoëfficiënt en fase te extraheren door het verschil tussen de twee te meten lengtes van de transmissielijnen. Constant, zoals weergegeven in afbeelding 6. Door deze methode te gebruiken, kan de impact van connectoren, kabels, sondes en de nauwkeurigheid van de oscilloscoop worden geminimaliseerd. Als hoogwaardige TDR-instrumenten en IFN (Impulse Forming Network) worden gebruikt, kan de testfrequentie oplopen tot 40 GHz.

2.5 Single-ended TDR differentiële insertion loss-methode

Single-Ended TDR naar differentieel insertieverlies (SET2DIL) verschilt van de differentiële insertieverliestest met 4-poorts VNA. Deze methode gebruikt een TDR-instrument met twee poorten om de TDR-staprespons naar de differentiële transmissielijn te verzenden. Het einde van de differentiële transmissielijn is kortgesloten, zoals weergegeven in afbeelding 7. Het typische meetfrequentiebereik van de SET2DIL-methode is 2 GHz ~ 12 GHz, en de meetnauwkeurigheid wordt voornamelijk beïnvloed door de inconsistente vertraging van de testkabel en de impedantie-mismatch van de DUT. Het voordeel van de SET2DIL-methode is dat er geen dure 4-poorts VNA en de bijbehorende kalibratieonderdelen nodig zijn. De lengte van de transmissielijn van het geteste onderdeel is slechts de helft van de VNA-methode. Het kalibratiegedeelte heeft een eenvoudige opbouw en de kalibratietijd wordt sterk verkort. Het is zeer geschikt voor PCB-productie. Batchtest, zoals weergegeven in afbeelding 8.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

3 Testapparatuur en testresultaten

SET2DIL-testbord, SPP-testbord en Multi-Line TRL-testbord werden gemaakt met behulp van CCL met een diëlektrische constante van 3.8, diëlektrisch verlies van 0.008 en RTF-koperfolie; testapparatuur was DSA8300 bemonsteringsoscilloscoop en E5071C vectornetwerkanalysator; differentieel insertieverlies van elke methode De testresultaten worden getoond in Tabel 2.

Analyse van beïnvloedende factoren van signaalintegriteit van PCB-printplaat

4 Conclusie

Dit artikel introduceert voornamelijk verschillende meetmethoden voor signaalverlies van PCB-transmissielijnen die momenteel in de industrie worden gebruikt. Door de verschillende gebruikte testmethodes zijn de gemeten insertion loss-waarden verschillend en kunnen de testresultaten niet direct horizontaal worden vergeleken. Daarom moet de juiste testtechnologie voor signaalverlies worden geselecteerd op basis van de voordelen en beperkingen van verschillende technische methoden en gecombineerd met hun eigen behoeften.