印制電路板信號損耗測試技術(shù)

1 前言

印制電路板(PCB)信號完整性是近年來熱議的一個話題，國內(nèi)已有很多的研究報道對PCB信號完整性的影響因素進(jìn)行分析[1]-[4],但對信號損耗的測試技術(shù)的現(xiàn)狀介紹較為少見。

PCB傳輸線信號損耗來源為材料的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，同時也受到銅箔電阻、銅箔粗糙度、輻射損耗、阻抗不匹配、串?dāng)_等因素影響。在供應(yīng)鏈上，覆銅板(CCL)廠家與PCB快件廠的驗收指標(biāo)采用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗;而PCB快件廠與終端之間的指標(biāo)通常采用阻抗和插入損耗，如圖1所示。

針對高速PCB設(shè)計和使用，如何快速、有效地測量PCB傳輸線信號損耗，對于PCB設(shè)計參數(shù)的設(shè)定和仿真調(diào)試和生產(chǎn)過程的控制具有重要意義。

2 PCB插入損耗測試技術(shù)的現(xiàn)狀

目前業(yè)界使用的PCB信號損耗測試方法從使用的儀器進(jìn)行分類，可分為兩大類：基于時域或基于頻域。時域測試儀器為時域反射計(Time DomainReflectometry,簡稱TDR)或時域傳輸計(TimeDomain Transmission,簡稱TDT);頻域測試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,簡稱VNA)。在IPC-TM650試驗規(guī)范中，推薦了5種試驗方法用于PCB信號損耗的測試：頻域法、有效帶寬法、根脈沖能量法、短脈沖傳播法、單端TDR差分插入損耗法。

2.1 頻域法

頻域法(Frequency Domain Method)主要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量傳輸線的S參數(shù)，直接讀取插入損耗值，然后在特定頻率范圍內(nèi)(如1 GHz ~ 5 GHz)用平均插入損耗的擬合斜率來衡量板材合格/不合格。

頻域法測量準(zhǔn)確度的差異主要來自校準(zhǔn)方式。根據(jù)校準(zhǔn)方式的不同，可細(xì)分為SLOT(Short-Line-Open-Thru)、Multi-Line TRL(Thru-Reflect-Line)和Ecal(Electronic calibration)電子校準(zhǔn)等方式。

SLOT通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法[5],校準(zhǔn)模型共有12項誤差參數(shù)，SLOT方式的校準(zhǔn)精度是由校準(zhǔn)件所確定的，高精度的校準(zhǔn)件由測量設(shè)備廠家提供，但校準(zhǔn)件價格昂貴，而且一般只適用于同軸環(huán)境，校準(zhǔn)耗時且隨著測量端數(shù)增加而幾何級增長。

Multi-Line TRL方式主要用于非同軸的校準(zhǔn)測量[6],根據(jù)用戶所使用的傳輸線的材料以及測試頻率來設(shè)計和制作TRL校準(zhǔn)件，如圖2所示。盡管Multi-Line TRL相比SLOT設(shè)計和制造更為簡易，但是Multi-Line TRL方式校準(zhǔn)耗時同樣隨著測量端數(shù)的增加而成幾何級增長。

為了解決校準(zhǔn)耗時的問題，測量設(shè)備廠家推出了Ecal電子校準(zhǔn)方式[7],Ecal是一種傳遞標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度主要由原始校準(zhǔn)件所確定，同時測試電纜的穩(wěn)定性、測試夾具裝置的重復(fù)性和測試頻率的內(nèi)插算法也對測試精度有影響。一般先用電子校準(zhǔn)件將參考面校準(zhǔn)至測試電纜末端，然后用去嵌入的方式，補償夾具的電纜長度。如圖3所示。

以獲得差分傳輸線的插入損耗為例，3種校準(zhǔn)方式比較如表1所示。

2.2 有效帶寬法

有效帶寬法(Effective Bandwidth,簡稱EBW)從嚴(yán)格意義來說是一個定性的傳輸線損耗α的測量，無法提供定量的插入損耗值，但是提供一個稱之為EBW的參數(shù)。有效帶寬法是通過TDR將特定上升時間的階躍信號發(fā)射到傳輸線上，測量TDR儀器和被測件連接后的上升時間的最大斜率，確定為損耗因子，單位MV/s.更確切地說，它確定的是一個相對的總損耗因子，可以用來識別損耗在面與面或?qū)优c層之間傳輸線的變化[8].由于最大斜率可以直接從儀器測得，有效帶寬法常用于印制電路板的批量生產(chǎn)測試。EBW測試示意圖如圖4所示。

2.3 根脈沖能量法

根脈沖能量法(Root ImPulse Energy,簡稱RIE)通常使用TDR儀器分別獲得參考損耗線與測試傳輸線的TDR波形，然后對TDR波形進(jìn)行信號處理。RIE測試流程如圖5所示：

2.4 短脈沖傳播法

短脈沖傳播法(Short Pulse Propagation,簡稱SPP)測試原理為利用測量兩條不同長度的傳輸線，如30 mm和100 mm,通過測量這兩個傳輸線線長之間的差異來提取參數(shù)衰減系數(shù) 和相位常數(shù) ,如圖6所示。使用這種方法可以將連接器、線纜、探針和示波器精度的影響降到最小。若使用高性能的TDR儀器和IFN(Impulse Forming Network)，測試頻率可高達(dá)40 GHz.

2.5 單端TDR差分插入損耗法

單端TDR差分插入損耗法(Single-Ended TDRto Differential Insertion Loss,簡稱SET2DIL)有別于采用4端口VNA的差分插損測試，該方法使用兩端口TDR儀器，將TDR階躍響應(yīng)發(fā)射到差分傳輸線上，差分傳輸線末端短接，如圖7所示。SET2DIL法測量典型的測量頻率范圍為2 GHz ~ 12 GHz,測量準(zhǔn)確度主要受測試電纜的時延不一致和被測件阻抗不匹配的影響。SET2DIL法優(yōu)勢在于無需使用昂貴的4端口VNA及其校準(zhǔn)件，被測件的傳輸線的長度僅為VNA方法的一半，校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)簡單，校準(zhǔn)耗時也大幅度降低，非常適合用于PCB制造的批量測試，如圖8所示。

3 測試設(shè)備及測試結(jié)果

采用介電常數(shù)3.8、介質(zhì)損耗0.008、RTF銅箔的CCL分別制作SET2DIL測試板、SPP測試板和Multi-Line TRL測試板;測試設(shè)備為DSA8300采樣示波器和E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀;各方法差分插入損耗測試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

本文主要介紹了目前業(yè)界使用的幾種PCB傳輸線信號損耗測量方法。由于采用的測試方法不同，測得插入損耗值也不一樣，測試結(jié)果不能直接做橫向?qū)Ρ?，因此?yīng)根據(jù)各種技術(shù)方法的優(yōu)勢和限制，并且結(jié)合自身的需求選擇合適的信號損耗測試技術(shù)。