การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณของแผงวงจรพิมพ์ PCB

ฮิต: ความรู้เบื้องต้น

แผงวงจรพิมพ์ ความสมบูรณ์ของสัญญาณ (PCB) เป็นประเด็นร้อนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีรายงานการวิจัยในประเทศจำนวนมากเกี่ยวกับการวิเคราะห์ปัจจัยที่ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ PCB แต่การทดสอบการสูญเสียสัญญาณเบื้องต้นเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีนั้นค่อนข้างหายาก

แหล่งที่มาของการสูญเสียสัญญาณของสายส่ง PCB คือการสูญเสียตัวนำและการสูญเสียอิเล็กทริกของวัสดุ และยังได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความต้านทานฟอยล์ทองแดง ความหยาบของฟอยล์ทองแดง การสูญเสียการแผ่รังสี อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกัน และครอสทอล์ค ในห่วงโซ่อุปทาน ตัวบ่งชี้การยอมรับของผู้ผลิตแผ่นเคลือบทองแดง (CCL) และผู้ผลิต PCB ด่วนใช้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการสูญเสียไดอิเล็กตริก ในขณะที่ตัวบ่งชี้ระหว่างผู้ผลิต PCB express และเทอร์มินัลมักใช้อิมพีแดนซ์และการสูญเสียการแทรกดังแสดงในรูปที่ 1

การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณของแผงวงจรพิมพ์ PCB

สำหรับการออกแบบและการใช้งาน PCB ความเร็วสูง วิธีการวัดการสูญเสียสัญญาณของสายส่ง PCB อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการตั้งค่าพารามิเตอร์การออกแบบ PCB การดีบักการจำลอง และการควบคุมกระบวนการผลิต

2. สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีการทดสอบการสูญเสียการแทรก PCB

วิธีการทดสอบการสูญเสียสัญญาณ PCB ที่ใช้ในอุตสาหกรรมนี้ถูกจัดประเภทจากเครื่องมือที่ใช้ และสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ตามโดเมนเวลาหรือตามโดเมนความถี่ เครื่องมือทดสอบโดเมนเวลาคือ Time Domain Reflectometry (TDR) หรือเครื่องวัดการส่งผ่านโดเมนเวลา (TImeDomain Transmission, TDT) เครื่องมือทดสอบโดเมนความถี่คือ Vector Network Analyzer (VNA) ในข้อกำหนดการทดสอบ IPC-TM650 แนะนำให้ใช้วิธีทดสอบห้าวิธีสำหรับการทดสอบการสูญเสียสัญญาณ PCB: วิธีโดเมนความถี่ วิธีแบนด์วิดท์ที่มีประสิทธิภาพ วิธีพลังงานพัลส์รูต วิธีการแพร่กระจายพัลส์สั้น วิธีการสูญเสียการแทรกส่วนต่างของ TDR แบบปลายเดียว

2.1 วิธีโดเมนความถี่

วิธีโดเมนความถี่ส่วนใหญ่ใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์เพื่อวัดพารามิเตอร์ S ของสายส่ง อ่านค่าการสูญเสียการแทรกโดยตรง จากนั้นใช้ความชันที่เหมาะสมของการสูญเสียการแทรกโดยเฉลี่ยในช่วงความถี่เฉพาะ (เช่น 1 GHz ~ 5 GHz) วัดผ่าน/ล้มเหลวของบอร์ด

ความแตกต่างในความแม่นยำในการวัดของวิธีโดเมนความถี่ส่วนใหญ่มาจากวิธีการสอบเทียบ ตามวิธีการสอบเทียบที่แตกต่างกัน สามารถแบ่งออกเป็น SLOT (Short-Line-Open-Thru), MulTI-Line TRL (Thru-Reflect-Line) และ Ecal (Electronic calibraTIon) วิธีการสอบเทียบอิเล็กทรอนิกส์

SLOT มักจะถือเป็นวิธีการสอบเทียบมาตรฐาน [5] โมเดลการสอบเทียบมีพารามิเตอร์ข้อผิดพลาด 12 รายการ ความแม่นยำในการสอบเทียบของวิธี SLOT ถูกกำหนดโดยชิ้นส่วนการสอบเทียบ ผู้ผลิตเครื่องมือวัดมีชิ้นส่วนสอบเทียบที่มีความแม่นยำสูง แต่ชิ้นส่วนสอบเทียบมีราคาแพง และโดยทั่วไปแล้วเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมแบบโคแอกเซียลเท่านั้น การสอบเทียบใช้เวลานานและเพิ่มขึ้นในเชิงเรขาคณิตเมื่อจำนวนขั้วต่อการวัดเพิ่มขึ้น

วิธี Multi-Line TRL ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการวัดการสอบเทียบแบบไม่ใช้โคแอกเซียล [6] ตามวัสดุของสายส่งที่ผู้ใช้ใช้และความถี่ในการทดสอบ ชิ้นส่วนสอบเทียบ TRL ได้รับการออกแบบและผลิตดังแสดงในรูปที่ 2 แม้ว่า Multi-Line TRL จะออกแบบและผลิตได้ง่ายกว่า SLOT แต่เวลาในการสอบเทียบของ วิธีการ Multi-Line TRL ยังเพิ่มขึ้นในเชิงเรขาคณิตด้วยการเพิ่มจำนวนเทอร์มินัลการวัด

เพื่อที่จะแก้ปัญหาของการสอบเทียบที่ใช้เวลานาน ผู้ผลิตอุปกรณ์วัดได้แนะนำวิธีการสอบเทียบทางอิเล็กทรอนิกส์ของ Ecal [7] Ecal เป็นมาตรฐานการส่งสัญญาณ ความแม่นยำในการสอบเทียบนั้นพิจารณาจากชิ้นส่วนการสอบเทียบดั้งเดิมเป็นหลัก ในเวลาเดียวกัน จะทดสอบความเสถียรของสายเคเบิลทดสอบและการทำซ้ำของอุปกรณ์ฟิกซ์เจอร์ทดสอบ อัลกอริธึมการแก้ไขของประสิทธิภาพและความถี่ในการทดสอบก็มีผลกระทบต่อความแม่นยำในการทดสอบเช่นกัน โดยทั่วไป ให้ใช้ชุดสอบเทียบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อปรับเทียบพื้นผิวอ้างอิงจนถึงปลายสายทดสอบ จากนั้นใช้วิธีถอดการฝังเพื่อชดเชยความยาวสายเคเบิลของฟิกซ์เจอร์ ดังแสดงในรูปที่ 3

เพื่อให้ได้ค่าการสูญเสียการแทรกของสายส่งที่แตกต่างกันดังตัวอย่าง การเปรียบเทียบวิธีการสอบเทียบสามวิธีจะแสดงในตารางที่ 1

2.2 วิธีแบนด์วิดธ์ที่มีประสิทธิภาพ

แบนด์วิดท์ที่มีประสิทธิภาพ (EBW) คือการวัดเชิงคุณภาพของการสูญเสียสายส่ง α ในแง่ที่เข้มงวด ไม่สามารถให้ค่าเชิงปริมาณของการสูญเสียการแทรก แต่มีพารามิเตอร์ที่เรียกว่า EBW วิธีแบนด์วิดท์ที่มีประสิทธิภาพคือการส่งสัญญาณขั้นตอนที่มีเวลาเพิ่มขึ้นเฉพาะไปยังสายส่งผ่าน TDR วัดความชันสูงสุดของเวลาเพิ่มขึ้นหลังจากเครื่องมือ TDR และ DUT เชื่อมต่อกัน และกำหนดเป็นปัจจัยการสูญเสียใน MV /NS. ที่แม่นยำยิ่งขึ้น สิ่งที่กำหนดคือปัจจัยการสูญเสียทั้งหมดสัมพัทธ์ ซึ่งสามารถใช้เพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงในการสูญเสียสายส่งจากพื้นผิวหนึ่งไปยังอีกพื้นผิวหนึ่งหรือชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง [8] เนื่องจากความชันสูงสุดสามารถวัดได้โดยตรงจากเครื่องมือ จึงมักใช้วิธีแบนด์วิดท์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการทดสอบการผลิตจำนวนมากของแผงวงจรพิมพ์ แผนผังของการทดสอบ EBW แสดงในรูปที่ 4

2.3 วิธีพลังงานพัลส์รูต

Root ImPulse Energy (RIE) มักจะใช้เครื่องมือ TDR เพื่อให้ได้รูปคลื่น TDR ของเส้นการสูญเสียอ้างอิงและสายส่งทดสอบ จากนั้นจึงดำเนินการประมวลผลสัญญาณบนรูปคลื่น TDR ขั้นตอนการทดสอบ RIE แสดงในรูปที่ 5:

2.4 วิธีการขยายพันธุ์พัลส์สั้น

วิธีการทดสอบการแพร่กระจายพัลส์สั้น (Short Pulse Propagation เรียกว่า SPP) คือการวัดสายส่งสองเส้นที่มีความยาวต่างกัน เช่น 30 มม. และ 100 มม. และแยกค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนพารามิเตอร์และเฟสโดยการวัดความแตกต่างระหว่างทั้งสอง ความยาวสายส่ง ค่าคงที่ดังแสดงในรูปที่ 6 การใช้วิธีนี้สามารถลดผลกระทบของตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิล หัววัด และความแม่นยำของออสซิลโลสโคป หากใช้เครื่องมือ TDR ประสิทธิภาพสูงและ IFN (Impulse Forming Network) ความถี่ในการทดสอบอาจสูงถึง 40 GHz

2.5 วิธีการสูญเสียการแทรกส่วนต่างของ TDR แบบปลายเดียว

TDR แบบปลายเดียวถึงการสูญเสียการแทรกส่วนต่าง (SET2DIL) นั้นแตกต่างจากการทดสอบการสูญเสียการแทรกส่วนต่างโดยใช้ VNA แบบ 4 พอร์ต วิธีนี้ใช้เครื่องมือ TDR สองพอร์ตเพื่อส่งการตอบสนองขั้นตอน TDR ไปยังสายส่งที่แตกต่างกัน จุดสิ้นสุดของสายส่งสัญญาณส่วนต่างสั้นลง ดังแสดงในรูปที่ 7 ช่วงความถี่การวัดทั่วไปของวิธี SET2DIL คือ 2 GHz ~ 12 GHz และความแม่นยำในการวัดส่วนใหญ่จะได้รับผลกระทบจากความล่าช้าที่ไม่สอดคล้องกันของสายเคเบิลทดสอบและอิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันของ DUT ข้อดีของวิธี SET2DIL คือไม่จำเป็นต้องใช้ VNA 4 พอร์ตราคาแพงและชิ้นส่วนสอบเทียบ ความยาวของสายส่งของชิ้นส่วนที่ทดสอบเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของวิธี VNA ชิ้นส่วนสอบเทียบมีโครงสร้างที่เรียบง่าย และเวลาสอบเทียบจะลดลงอย่างมาก เหมาะมากสำหรับการผลิต PCB การทดสอบแบทช์ดังแสดงในรูปที่ 8

3 อุปกรณ์ทดสอบและผลการทดสอบ

บอร์ดทดสอบ SET2DIL บอร์ดทดสอบ SPP และบอร์ดทดสอบ Multi-Line TRL ทำด้วย CCL ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเท่ากับ 3.8 การสูญเสียไดอิเล็กตริก 0.008 และฟอยล์ทองแดง RTF อุปกรณ์ทดสอบคือออสซิลโลสโคปสุ่มตัวอย่าง DSA8300 และเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ E5071C การสูญเสียการแทรกส่วนต่างของแต่ละวิธี ผลการทดสอบแสดงในตารางที่ 2

ข้อสรุป 4

บทความนี้จะแนะนำวิธีการวัดการสูญเสียสัญญาณของสายส่ง PCB ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเป็นหลัก เนื่องจากใช้วิธีการทดสอบที่แตกต่างกัน ค่าการสูญเสียการแทรกที่วัดได้จึงแตกต่างกัน และผลการทดสอบไม่สามารถเปรียบเทียบโดยตรงในแนวนอนได้ ดังนั้นควรเลือกเทคโนโลยีการทดสอบการสูญเสียสัญญาณที่เหมาะสมตามข้อดีและข้อจำกัดของวิธีการทางเทคนิคต่างๆ และรวมกับความต้องการของตนเอง