PCB印制电路板信号完整性影响因素分析

1简介

印刷电路板 (PCB) 信号完整性是近年来的热门话题。 国内对于PCB信号完整性影响因素的分析已经有很多研究报告,但是信号损耗测试对目前技术状况的介绍比较少见。

印刷电路板

PCB传输线信号损耗的来源是材料的导体损耗和介质损耗,同时还受到铜箔电阻、铜箔粗糙度、辐射损耗、阻抗失配、串扰等因素的影响。 在供应链中,覆铜板(CCL)制造商和PCB快递制造商的验收指标使用介电常数和介电损耗; 而PCB快递厂家与终端之间的指标通常使用阻抗和插入损耗,如图1所示。

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对于高速PCB设计和使用,如何快速有效地测量PCB传输线的信号损耗,对于PCB设计参数的设置、仿真调试、生产过程的控制等具有重要意义。

2、PCB插入损耗测试技术现状

目前业界采用的PCB信号损耗测试方法,从使用的仪器来分类,可分为基于时域和基于频域两大类。 时域测试仪器为时域反射计(TDR)或时域传输计(TImeDomain Transmission,TDT); 频域测试仪器是矢量网络分析仪 (VNA)。 在IPC-TM650测试规范中,推荐了五种PCB信号损耗测试的测试方法:频域法、有效带宽法、根脉冲能量法、短脉冲传播法、单端TDR差分插入损耗法。

2.1 频域法

频域法主要使用矢量网络分析仪测量传输线的S参数,直接读取插入损耗值,然后利用特定频率范围(如1GHz~ 5 GHz) 测量电路板的通过/失败。

频域法测量精度的差异主要来自校准方法。 根据校准方法的不同,可细分为SLOT(Short-Line-Open-Thru)、MulTI-Line TRL(Thru-Reflect-Line)和Ecal(Electronic calibraTIon)电子校准方法。

SLOT 通常被认为是一种标准的校准方法 [5]。 校准模型有 12 个误差参数。 SLOT 方法的校准精度由校准部件决定。 高精度校准件由测量设备厂商提供,但校准件价格昂贵,且一般只适用于同轴环境,校准耗时且随着测量终端数量的增加呈几何级数增长。

MulTI-Line TRL 方法主要用于非同轴校准测量[6]。 根据用户使用的传输线材质和测试频率,设计生产TRL校准件,如图2所示。 Multi-Line TRL虽然比SLOT更容易设计和制造,但校准时间为Multi-Line TRL方法也随着测量终端数量的增加呈几何级数增长。

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为了解决校准耗时的问题,测量设备制造商推出了Ecal电子校准方法[7]。 Ecal 是一种传输标准。 标定精度主要由原厂标定件决定。 同时对测试电缆的稳定性和测试夹具装置的重复性进行测试。 性能和测试频率的插值算法也对测试精度有影响。 一般使用电子校准套件将参考面校准到测试电缆的末端,然后使用去嵌入的方法补偿夹具的电缆长度。 如图 3 所示。

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以获取差分传输线的插入损耗为例,三种校准方法的比较如表1所示。

2.2 有效带宽法

有效带宽(EBW)是严格意义上传输线损耗α的定性度量。 它不能提供插入损耗的定量值,但它提供了一个称为 EBW 的参数。 有效带宽法是将具有特定上升时间的阶跃信号通过TDR传输到传输线,测量TDR仪器与DUT连接后上升时间的最大斜率,确定为损耗因子,单位为MV /秒。 更准确地说,它确定的是一个相对总损耗因子,它可以用来识别从表面到表面或层到层的传输线损耗的变化[8]。 由于可以直接从仪器测量最大斜率,因此有效带宽法通常用于印刷电路板的批量生产测试。 EBW测试示意图如图4所示。

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2.3 根脉冲能量法

Root ImPulse Energy (RIE) 通常使用 TDR 仪器获取参考损耗线和测试传输线的 TDR 波形,然后对 TDR 波形进行信号处理。 RIE测试流程如图5所示:

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2.4 短脉冲传播法

短脉冲传播法(Short Pulse Propagation,简称SPP)测试原理是测量两条不同长度的传输线,例如30mm和100mm,通过测量两者的差值来提取参数衰减系数和相位传输线长度。 常数,如图 6 所示。使用这种方法可以最大限度地减少连接器、电缆、探头和示波器精度的影响。 如果使用高性能TDR仪器和IFN(脉冲形成网络),测试频率可高达40GHz。

2.5 单端TDR差分插损法

单端 TDR 差分插入损耗 (SET2DIL) 不同于使用 4 端口 VNA 的差分插入损耗测试。 该方法使用二端口TDR仪器将TDR阶跃响应传输到差分传输线,将差分传输线的末端短接,如图7所示。SET2DIL方法的典型测量频率范围为2GHz~ 12 GHz,测量精度主要受测试电缆延迟不一致和被测器件阻抗不匹配的影响。 SET2DIL 方法的优点是无需使用昂贵的 4 端口 VNA 及其校准部件。 被测部分传输线的长度仅为VNA方法的一半。 标定部分结构简单,标定时间大大减少。 它非常适合PCB制造。 批量测试,如图8所示。

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3 测试设备及测试结果

SET2DIL测试板、SPP测试板和Multi-Line TRL测试板采用CCL制作,介电常数为3.8,介电损耗为0.008,RTF铜箔; 测试设备为DSA8300采样示波器和E5071C矢量网络分析仪; 每种方法的差分插入损耗测试结果如表2所示。

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4结论

本文主要介绍目前业界常用的几种PCB传输线信号损耗测量方法。 由于使用的测试方法不同,测得的插入损耗值不同,无法直接横向比较测试结果。 因此,应根据各种技术方法的优点和局限性,结合自身需要,选择合适的信号损耗测试技术。