作者:于洋,王欣
PCB(Printed Circuit Board,印刷電路板),隱藏在各種IT、電子設(shè)備中,從服務(wù)器到智能終端,從電動汽車到衛(wèi)星通信,作為信號傳輸?shù)摹拜d體”,連接成百上千個元器件。
隨著5G移動通信、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,終端產(chǎn)品越來越薄,數(shù)據(jù)傳輸速度越來越快,對PCB的集成能力、高頻高速通信能力的需求也逐步提升。
頻率越高、傳輸速率越快,在傳輸中的信號損耗問題越嚴重。我們通常利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對PCB進行材料介電常數(shù)/損耗因子(Dk/Df)、信號完整性SI(阻抗、上升時間、串?dāng)_等),S參數(shù)(回波損耗、插入損耗)等關(guān)鍵參數(shù)進行測試,確保信號在PCB電路板中傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
在助力客戶進行PCB測試的過程中,是德科技總結(jié)出了一些“測試秘籍”??霡你身邊的PCB工程師,這些從基礎(chǔ)到測試日常的小問題,看看你能答對多少題?
第一關(guān):基礎(chǔ)熱身
Q1你知道高頻高速PCB測試挑戰(zhàn)具體體現(xiàn)在哪些方面嗎?
1. 高頻信號完整性挑戰(zhàn)。
10GHz以上頻段,材料的介電損耗(Df)和導(dǎo)體損耗導(dǎo)致信號衰減加??;阻抗允許誤差要求更嚴苛,±5%甚至更嚴格的容差要求;高密度布局和差分信號對間的電磁耦合導(dǎo)致串?dāng)_,影響信號準確性。
2. 差分電路設(shè)計挑戰(zhàn)。
差模信號與共模信號間的轉(zhuǎn)換引入額外損耗和噪聲,差分對間的時延不一致(Skew)導(dǎo)致信號失真。
3. 材料特性復(fù)雜性挑戰(zhàn)。
材料的介電常數(shù)(Dk)和介質(zhì)損耗(Df)隨頻率變化,傳統(tǒng)固定模型無法滿足仿真需求;混合材料的玻纖與樹脂分布不均,導(dǎo)致等效Dk/Df波動。
4. 測試效率與成本壓力。
開發(fā)周期縮短,需快速完成設(shè)計驗證與量產(chǎn)測試,節(jié)省費用、所有測試集中在一臺儀表,成為設(shè)備商的新需求。
Q2PCB物理層測試的關(guān)鍵參數(shù)有哪些?分別是什么意思?
關(guān)鍵參數(shù)主要表現(xiàn)在,插入損耗、回波損耗等基本S參數(shù),F(xiàn)EXT、NEXT、PS_Crosstalk、ICR、ICN、Jitter、差分對延時、眼圖等,介電常數(shù)(D k)/介質(zhì)損耗(D f)等材料參數(shù)的測試。
? 參數(shù)名稱
插入損耗
? 定義
信號在傳輸路徑中的功率損耗,通常隨頻率增加而增大,以dB表示。
? 測試方法
使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測量S參數(shù)中的S21(正向)或S12(反向)。
? 參數(shù)名稱
回波損耗
? 定義
因阻抗不匹配導(dǎo)致的反射信號功率與輸入功率的比值,回波損耗是反射信號低于入射信號的dB 數(shù),以-dB表示,絕對值越大越好。
? 測試方法
使用VNA測量S參數(shù)中的S11(輸入端口反射)或S22(輸出端口反射)。
? 參數(shù)名稱
FEXT (遠端串?dāng)_)
? 定義
干擾信號在相鄰?fù)ǖ肋h端產(chǎn)生的串?dāng)_,通常以dB表示。
? 測試方法
使用VNA測量遠端端口。
? 參數(shù)名稱
NEXT (近端串?dāng)_)
? 定義
與發(fā)送端處于同一邊的(近端)接收端處所感應(yīng)到的從發(fā)送線發(fā)送過來的串?dāng)_信號。
? 測試方法
使用VNA測量近端端口。
? 參數(shù)名稱
PS_Crosstalk (電源層串?dāng)_)
? 定義
電源層噪聲對信號層的耦合干擾。
? 測試方法
使用VNA或示波器結(jié)合專用電源完整性夾具,測量電源噪聲對信號的影響。
? 參數(shù)名稱
ICR (插入損耗變化率)
? 定義
插入損耗在不同頻率或環(huán)境條件下的變化率。
? 測試方法
基于VNA在不同頻率下測量的插入損耗數(shù)據(jù),計算其斜率或標準差。
? 參數(shù)名稱
ICN (插入損耗噪聲)
? 定義
插入損耗中的隨機波動成分,反映信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
? 測試方法
通過VNA多次測量插入損耗并分析其噪聲頻譜或標準差。
? 參數(shù)名稱
差分對延時 (Differential Pair Delay)
? 定義
高速PCB中經(jīng)常采用多條差分路徑傳輸。所以Skew又分為對內(nèi)延時差(Intra-pair Skew)和對間延時差(Inter-pair Skew)。對內(nèi)延時差是指同一對差分線間兩條單端傳輸線single-end Delay之差,對間延時差是指不同對差分線間Differential Delay之差。
? 測試方法
使用時域反射計(TDR)或高速示波器測量差分信號的時間差。
? 參數(shù)名稱
眼圖 (Eye Diagram)
? 定義
多個信號周期疊加形成的圖形,用于評估信號完整性(如噪聲、抖動等)。眼圖可以顯示出數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量,是對數(shù)字信號質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測手段。
? 測試方法
使用高速示波器捕獲信號波形,通過疊加生成眼圖,結(jié)合分析軟件評估參數(shù)。
? 參數(shù)名稱
介電常數(shù) (Dk)
? 定義
材料存儲電場能量的能力,影響信號傳播速度。
? 測試方法
采用諧振腔法、傳輸線法或VNA結(jié)合同軸/微帶夾具測量,通過S參數(shù)反推Dk。
? 參數(shù)名稱
介質(zhì)損耗 (Df)
? 定義
材料耗散電場能量的能力,以損耗角正切表示。
? 測試方法
使用與Dk相同的方法,分析S參數(shù)或Q值計算損耗角正切。
Q3PCB測試的xy方向和z方向是什么意思?
XY 方向(平面內(nèi)方向):XY 方向是 PCB 平面內(nèi)的二維方向,即平行于 PCB 表面的兩個正交軸。X 軸:水平方向(如 PCB 的長邊);Y 軸:垂直方向(如 PCB 的短邊),XY 平面:由銅箔走線、微帶線、帶狀線等構(gòu)成的信號傳輸層。
Z 方向(垂直方向):Z 方向是垂直于 PCB 平面的方向(即厚度方向),對應(yīng) PCB 的層疊方向。Z 軸:從 PCB 頂層到底層的垂直方向;Z 方向特性:涉及層間耦合、過孔(via)性能、材料垂直方向的介電常數(shù)等。
第二關(guān):損耗
Q4PCB傳輸信號過程中介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗怎么區(qū)分?
PCB 上的信號傳輸損耗(Loss)可分為導(dǎo)體損耗(LC)和介質(zhì)損耗(LD)。介質(zhì)損耗,就是在PCB材料介質(zhì)層面?zhèn)鬏敭a(chǎn)生的損耗,導(dǎo)體損耗可分為表面粗糙度引起的散射損耗和趨膚效應(yīng)損耗。介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗這兩個損耗的模型是不一樣的,所以可以在總體的損耗中將不同的損耗部分提取出來。
Q5什么是導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)?
趨膚效應(yīng)(Skin Effect)是指導(dǎo)體在高頻交流電作用下,電流密度從導(dǎo)體內(nèi)部向表面逐漸集中的現(xiàn)象。隨著頻率升高,電流主要分布在導(dǎo)體表層,導(dǎo)致導(dǎo)體的有效截面積減小、電阻增大,從而影響信號傳輸性能。
Q6什么是Delta-L測試?
Delta-L 是英特爾為描述 PCB 電氣性能而引入的測量方法。Delta-L 損耗測試方案能夠,高效表征 PCB 損耗、幫助設(shè)計人員選擇合適的 PCB 材料、方便 PCB 損耗的批量測試。Delta-L測試做兩套有同樣過孔的夾具,夾具A線長為X1,夾具B線長為X2,分別測出這兩條PCB走線+過孔的IL,然后相減在除以線長差,那么就可以得到除掉過孔后PCB走線每單位長度上的IL,然后根據(jù)DUT的線長就可以得到?jīng)]有過孔影響的插入損耗,而且不需要SOLT以及TRL校準。
Q7開窗沉金會減少傳輸線損耗嗎?
沉金工藝能夠顯著提升導(dǎo)電性、耐腐蝕性和抗氧化性,從而減少信號衰減和反射,提高信號傳輸質(zhì)量?。具體來說,沉金層的存在可以降低接觸電阻,減少信號衰減和干擾,這對于高頻信號的傳輸尤為重要?。此外,沉金還能有效防止金屬表面的氧化和腐蝕問題,進一步提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性?。
第三關(guān):阻抗
Q8什么是TDR測試?
TDR( Time-Domain Reflectometry),又叫時域反射計,它的測試原理是,當(dāng)信號傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時,一部分信號會被反射,另一部分信號會繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。通過測量反射波的電壓幅度,從而計算出阻抗的變化;同時,只要測量出反射點到信號輸出點的時間值,就可以計算出傳輸路徑中阻抗變化點的位置。另外,還可以定位斷點或短路點的具體位置,當(dāng)傳輸線上存在寄生電容、電感(如過孔)時,在TDR曲線上可以反映出寄生參數(shù)引起的阻抗不連續(xù)。
Q9用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試阻抗時,源信號上升沿時間如何設(shè)置?
矢網(wǎng)測試特性阻抗主要是頻率逆傅里葉變換到時域進行分析的,所以上升沿的快慢主要取決于矢網(wǎng)測試的最高頻率范圍。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試阻抗時,源信號上升沿時間(Rise Time)的設(shè)置直接影響測試的分辨率和信號質(zhì)量。
上升沿時間是指,信號從10%到90%幅值的變化時間(通常用 tr 表示,單位:ps/nS)。上升沿越陡峭(tr 越?。?,信號包含的高頻成分越多,能探測到更小的阻抗變化和更近的缺陷;上升沿時間與頻域帶寬成反比。
Q10TDR測試阻抗,結(jié)果會不會受階躍信號上升沿退化的影響?如何影響?
會,上升沿的快慢主要影響的是阻抗測試的時間分辨率,PCB測試中,高時間分辨率有助于發(fā)現(xiàn)更短的斷路或更接近的缺陷點。但如果傳輸線很長衰減很大就可能會導(dǎo)致特性阻抗測試的向上漂移,這種情況可以采取漂移阻抗的斜率補償來進行修正。斜率補償一般是針對阻抗隨某個參數(shù)(如溫度、頻率)的變化趨勢進行調(diào)整。例如,在溫度變化時,阻抗可能會有線性或非線性的漂移,通過建立數(shù)學(xué)模型,利用已知的變化斜率來修正測量結(jié)果。
Q11VNA 測阻抗,起始/終止頻率設(shè)定以后,上升沿時間還需要設(shè)定嗎?
儀器會根據(jù)被測件的長度優(yōu)化一個滿足測試的上升沿時間,也可以對這個上升沿時間進行修改,但最小的可設(shè)置上升沿時間由測試的頻率范圍決定。
Q12TDR信號在PCB板上傳輸后,經(jīng)過容性負載和感性負載后,會不會影響TDR的上升時間,最終影響測試分辨率?
會,經(jīng)過容性負載和感性負載后會影響TDR的信號測試(有會頻率的濾波效應(yīng)),所以需要使用寬帶的電容或電感來減低頻響帶寬對測試的影響。
第四關(guān):頻率
Q13VNA TDR 選件 start頻率默認300K 和設(shè)置為10MHz TDR測試結(jié)果有多大區(qū)別?
VNA TDR測試時,儀器是沒有辦法從DC測試開始,所以DC的值是由低頻插值獲得的。理論上起始頻率越低插值的精度就會越高,測試的結(jié)果也就越精確。
較高的start頻率(如10MHz)可能會提供更好的時間分辨率,能夠檢測更小的阻抗變化或更近的故障點,但同時可能會引入更多的噪聲或?qū)UT的高頻特性敏感。而較低的start頻率(如300kHz)可能更適合長距離測試或?qū)Ω哳l不敏感的應(yīng)用,但分辨率較低。
PCB測試中,考慮不同的start頻率如何影響對微小走線缺陷的檢測能力,還需要考慮測試系統(tǒng)的帶寬限制,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的最高頻率和起始頻率共同決定了實際使用的頻段。
Q14網(wǎng)分的IFBW設(shè)定規(guī)則是什么?
中頻帶寬是指網(wǎng)絡(luò)分析儀中中頻濾波器的帶寬。它決定了能夠通過該濾波器的信號頻率范圍,在測量過程中起著過濾噪聲、提高測量精度的作用。
矢網(wǎng)的中頻帶寬IFBW的設(shè)置可以改善接收機的性噪比,從而改善矢網(wǎng)的測試動態(tài)范圍。但IFBW設(shè)置的越小儀器的測試速度也會變慢,所以IFBW的設(shè)置是測試精度/動態(tài)和測試速度的折中。在網(wǎng)絡(luò)分析儀(網(wǎng)分)中,IF(Intermediate Frequency,中頻)設(shè)定是一個關(guān)鍵操作,它直接影響測量的速度、精度和動態(tài)范圍。
精度要求高時減小 IF BW,精度要求低時增大 IF BW。速度優(yōu)先時增大 IF BW,速度要求不高時減小 IF BW。動態(tài)范圍要求高時減小 IF BW,動態(tài)范圍要求低時增大 IF BW。
Q15實際操作中,如何對 IF 進行設(shè)定?
在進行 IF 設(shè)定之前,需要先了解被測器件的信號特性、帶寬、動態(tài)范圍等參數(shù),以便根據(jù)實際情況選擇合適的 IF BW,初步設(shè)定個IFBW進行測量,并對測量結(jié)果進行評估。如果測量結(jié)果的精度、速度或者動態(tài)范圍不符合要求,可以適當(dāng)調(diào)整 IF BW 并再次進行測量,直到獲得滿意的結(jié)果為止。
Q16如果是NRZ 32Gbps 測試帶寬,VNA頻率應(yīng)該設(shè)定到多少?
對于NRZ信號的測試,一般設(shè)置到1.25倍的符號率就可以,比如40GHz。但根據(jù)情況可以適當(dāng)擴大一些測試頻率的上限。
第五關(guān):校準
Q17請問在校準完成后更改上升時間變小是測試更加嚴格了嗎?什么時候會去變更上升時間呢?
校準完成后減小上升時間會使當(dāng)前帶寬下比較接近上升沿的極限設(shè)置,這是的階躍信號的過沖和波動也會變大,可能會導(dǎo)致阻抗不連續(xù)位置的測試波動變大。所以最好是增加測試頻率范圍來減小上升沿的時間。
Q18探針的校準也是使用校準片 short/open/thru來校準嗎?
探針臺的校準過程和機械校準件是類似的,都是需要通過校準件Short/Open/Load/Thru來進行校準,只是矢網(wǎng)通常沒有探針臺校準件的模型文件,需要自行在矢網(wǎng)中建立,或?qū)⒁延械奈募M行導(dǎo)入。
第六關(guān):終極挑戰(zhàn)
Q19如何選擇合適的測試工具嗎?
測試工具的選擇,是影響測試結(jié)果、測試效率的關(guān)鍵因素,那如何選擇高效、精準的測試設(shè)備呢?
1單儀表方案,提高測試效率:
是德科技矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,搭配S9x011軟件,可實現(xiàn)增強TDR功能,實現(xiàn)時域和頻域的全參數(shù)測試。
此外,S9x011A/B 還支持眼圖/模板模式等更精細的測量和評估,提供抖動注入、加重、均衡功能,可以模擬真實世界的信號和環(huán)境,為數(shù)字信號完整性工程師提供了一種描述高速串行互連的“單儀表”解決方案。
圖:使用相同校準方法,示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對同一個被測物(USB3.0)進行 TDR 測試結(jié)果的比較
2高動態(tài)范圍,高級校準技術(shù),提高測試精度
網(wǎng)絡(luò)分析儀的動態(tài)范圍本質(zhì)上是系統(tǒng)可以測量的功率范圍,具體可以分為接收機動態(tài)范圍(真實動態(tài)范圍)和系統(tǒng)動態(tài)范圍(無需放大),接收機動態(tài)范圍= P最大值– P最小值;系統(tǒng)動態(tài)范圍= P參考值– P最小值。一般我們認為,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀動態(tài)范圍越大,測試的精度也就越高。是德科技多款矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,具備強于業(yè)界的高動態(tài)范圍。
在校準過程中,是德科技N19305B 具備的高級校準功能,能夠?qū)崿F(xiàn)自動夾具移除(AFR)、TRL校準件設(shè)計和驗證向?qū)Аifferential Crosstalk 校準測量向?qū)芰Α?/p>
3是德科技全系列網(wǎng)絡(luò)分析儀,覆蓋從低頻到高頻,從高性價比到高性能的全場景測試。
通過PNA系列臺式網(wǎng)絡(luò)分析儀實現(xiàn)無與倫比的卓越性能——頻率覆蓋高達120 GHz,可擴展至1.5 THz。
借助ENA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀大幅降低測試成本——頻率覆蓋高達53 GHz。
使用PXIVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀加速多端口設(shè)備測試——支持高達53 GHz、50端口配置。
關(guān)于是德科技
是德科技(NYSE:KEYS)啟迪并賦能創(chuàng)新者,助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數(shù)公司,我們提供先進的設(shè)計、仿真和測試解決方案,旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署,同時控制好風(fēng)險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手,加速創(chuàng)新,創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。
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原文標題:@PCB工程師,高頻高速PCB信號測試“問答賽”,喊你來通關(guān)?。▍⑴c有禮)
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