PCB板内阻抗测试需求与技术

PCB板内阻抗测试需求与技术蔡林 许丽芬摘要 文章介绍了当前PCB板内阻抗测试需求的原因和趋势，同时对其测试技术进行讲解和普及，可提高PCB企业了解板内阻抗测试技术和发展趋势，为解决阻抗板在生产与测试中存在的问题做理论和技术支持。关键词 板内阻抗；差分阻抗； 阻抗测试1 前沿 PCB板内阻抗指成品板内迹线的真实阻抗，与传统的阻抗条(coupon）不是一个概念。由于板内阻抗线与coupon阻抗线存在走线间距、走线宽度、走线所处环境、走线所处位置以及设计误差等都会导致板内真实阻抗与coupon阻抗存在差异。然而随着当前线路板朝高密度、高多层、小体积的方向发展，客户对阻抗控制要求越来越严格，控制精度要求也越来越高。这种板内阻抗与coupon阻抗存在的偏差可能会使高端客户难以接受，因此越来越多的客户要求PCB厂家提供真实的板内阻抗，而不是传统的Coupon。图1 板内阻抗与Coupon示意图2 板内阻抗与Coupon存在的差异与问题2.1 板内阻抗线与Coupon走线物理上的差别 图2 板内阻抗与Coupon从图2举例PCB板我们可以看到Coupon与真实板内阻抗线之间的差别：（1）虽然走线间距、走线宽度是一致的，但是Coupon测试点的间距固定为2.54mm(为满足测试探针间距)，而板内真实走线的末端(即金手指)间距是可变的，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现，一些芯片的引脚间距都远小于2.54mm(即Coupon测试点的间距)间距。（2）Coupon走线是理想的直线，而板内真实走线往往是弯曲的、多样的。PCB设计人员和生产人员很容易将Coupon的走线理想化，但是PCB板上的真实走线则会因为各种各样的因素导致走线不规则化。 (3) Coupon和板内真实走线在整个PCB板上的位置不同。Coupon都位于PCB板中间或边沿，在PCB板出厂时往往会被生产商去掉。而板内真实走线的位置则是多样的，有的在靠近板子的边沿，有的位于板子的中央等。（4） 板内阻抗走线周围一般分布着过孔、焊盘、屏蔽层等，而Coupon走线周围环境都比较单一。由此可见，板内阻抗线与Coupon走线存在着差异，其差异也带来了阻抗测试值的差异。2.2 阻抗测试值的影响 (1) Coupon测试点间距Coupon走线的间距不同，会导致测试点与走线之间带来阻抗不连续。而PCB板内的真实差分走线末端(即芯片的引脚)间距往往是与走线间距相等或者非常相近的。由此会带来阻抗测试结果的不同。 (2) 弯曲的走线与理想的走线所反映出来的阻抗变化是不一致的。在走线弯曲转折的地方特征阻抗往往是不连续的，而Coupon的理想化走线则不能反映由于走线弯曲所带来的阻抗不连续现象。 (3) Coupon与真实的走线在PCB板上的位置不同。目前的PCB板都采用多层走线的设计，在生产时需要经过压制。当PCB板压制时，板子不同的位置所受到的压力不可能做到一致，不同位置的介质层厚度有差异,这样制成的PCB板在不同的位置上介电常数往往不相同，特征阻抗也当然不同。 (4) 板内阻抗受其周围的过孔、焊盘、屏蔽层等影响反映出来的阻抗是不连续的，而Coupon因走线环境单一，不能反映阻抗真实变化情况。可见Coupon反映的阻抗值是不能完全反映PCB板内真实走线的真实特征阻抗的。2.3 测试对比2.3.1 测试环境A.测试环境温度：23B.湿度：55%RHC.测试板图片：图3 测试样板2.3.2 测试波形对比 图4 Coupon测试波形 图5 板内测试波形2.3.3 测试数据对比序号项目Coupon板内1测试值119.19114.62119.17115.313119.30115.244119.27114.715119.26114.416平均值119.238114.8547偏差4.384表1 Coupon与板内阻抗测试数值对比从图4、图5以及表1数据来看，板内阻抗与Copon阻抗波形虽然差异不大，但测试数值却存在偏差，偏差数值的大小与测试板的不同而不同。3 板内阻抗测试需求与阻碍3.1 板内阻抗测试需求3.1.1 随着当前线路板朝高密度、高多层、小体积的方向发展，客户对阻抗控制要求越来越严格，控制精度要求也越来越高，例如精度要求小于5%。板内阻抗与Coupon阻抗存在的偏差可能会超出控制精度要求，而且控制精度要求越高，采用Coupon评估阻抗的风险就越大。3.1.2 无论是PCB板的生产商还是高速电路设计者、制造者都希望能对PCB板内的真实高速差分走线直接进行TDR测试，获得最准确的特征阻抗信息。3.2 板内阻抗测试的阻碍 阻碍板内阻抗测试的主要原因有以下两个：（1） 难以找到差分TDR探头的接地点，高速PCB设计人员不会在设计高速差分走线时在走线的末端(即芯片引脚)附近放置固定间距的接地点。（2） 差分走线的末端(即芯片的引脚或金手指或焊盘)间距是多变的，必需要一个间距可调的差分探头来实现探测。4. 板内阻抗测试技术4.1 TDR的基本原理 阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲。同时接收模块采集反射信号的时域波形。如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离， 根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。图3 TDR原理示意图4.2 常用阻抗模型 图4 奇模和偶模阻抗 图5 差分和共模阻抗对于比较常见的差分阻抗来说，测试中只需要2个幅度相同、方向相反的阶跃信号即可，不需要接地，其采用的是虚拟接地，支持这种板内差分阻抗测试的阻抗机型有泰克、安捷伦和爱思达。其它类型阻抗必须接地。4.3 虚拟地的原理由于差分走线和差分信号是平衡的,差分信号的中心电压点和地平面是等电势的,因此在使用差分阶跃信号进行差分TDR测试时,只要保证探针A和探针B共地,即无需与DUT之间接地。图6 虚拟地原理需要注意的是:探针A和探针B必须要共地，如下图是可调探头的共地图。 图7 泰克、安捷伦、爱思达可调共地探头由图7可知，探针A和探针B需要完好共地，如果共地不良或共地连接线断掉都不能进行测试，测试前必须认真检查共地是否良好。4.3 板内阻抗测试注意事项4.3.1 所选用的特性阻抗测试仪必须支持板内阻抗测试功能。4.3.2 需配备可调探头，可调间距一般要求在0.53mm之间，可满足不同测试点的需求。4.3.3 差分测试前必须检测信号针是否良好共地。4.3.4 间距过小的测试过程中探针与测试点必须稳定接触。5. 总结通过以上论述和测试对比，结论概括如下：（1） Coupon与板内阻抗测试值存在偏差，这种偏差主要由阻