TDR和SET2DIL測試教程

1、Page1PCB信號完整性技術(shù)探討信號完整性技術(shù)探討Page21、信號完整性基礎(chǔ)2、信號完整性測量技術(shù)3、PCB制造與信號完整性Page3 目目 錄錄1、信號完整性基礎(chǔ)1.1 信號完整性1.2 高速信號和傳輸線1.3 反射1.4 阻抗1.5 介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗因子（Df）1.6 插入損耗的概念Page4 信號完整性（Signal Integrity, SI）包含由于信號傳輸速率加快而產(chǎn)生的互連、電源、器件等引起的所有信號質(zhì)量及延時(shí)等問題。1.1 信號完整性信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)1Page5信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)1 對于高速產(chǎn)品，并沒有明確定義，一般認(rèn)為對損耗有特定要求的產(chǎn)品

2、為高速產(chǎn)品。1.2 高速信號和傳輸線microstripstripline傳輸線模型時(shí)鐘頻率超過100MHz、數(shù)字信號上升時(shí)間小于1ns時(shí)，長度超過1inch（2.54cm）的互連線表現(xiàn)出傳輸線特性；其特征為：線路向周圍環(huán)境輻射能量，介質(zhì)中的粒子（圖中圓圈表示）也會(huì)振動(dòng)吸收能量，產(chǎn)生時(shí)延和衰減等?；緜鬏斁€種類Page6信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)1 目前幾乎所有高速存儲器、服務(wù)器、路由器以及很多消費(fèi)電子產(chǎn)品都具有高傳輸速率的特性，PCB產(chǎn)業(yè)也已邁進(jìn)高速的方向。1.2 高速信號和傳輸線USB2.0(480Mbps)交換機(jī)交換機(jī)(1Gbps)基站基站(2.3Gbps)IEEE 1394(B)接口

3、接口（3.2Gbps）光模塊產(chǎn)品光模塊產(chǎn)品（6.25Gbps）高性能光模塊高性能光模塊（25Gbps）一些高速電子產(chǎn)品和設(shè)備及其傳輸速率一些高速電子產(chǎn)品和設(shè)備及其傳輸速率Page7 信號傳輸時(shí)，每時(shí)每刻都會(huì)感受到一個(gè)瞬態(tài)阻抗，當(dāng)這個(gè)阻抗不連續(xù)時(shí)就會(huì)將信號的一部分反射回信號源端；Rs1Rs2Rs1Rs21信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)1.3 反射Rs1Rs2VfIfViIiVtItPage8信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.4 阻抗 低頻或直流情況下阻抗基本等于導(dǎo)體的電阻； 高速或高頻情況下，主要受趨膚效應(yīng)影響，信號在導(dǎo)體中傳輸感受到的阻抗將遠(yuǎn)大于導(dǎo)體在直流情況下的電阻。圓形導(dǎo)體和方形導(dǎo)體的趨膚效

4、應(yīng)（紅色圓形導(dǎo)體和方形導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)（紅色表示電流密度最大，藍(lán)色表示最小）表示電流密度最大，藍(lán)色表示最?。㏄age9信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.4 阻抗趨膚深度： ：趨膚深度：趨膚深度 ： 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 ：電導(dǎo)率：電導(dǎo)率f f： 頻率頻率對于純銅導(dǎo)線： =4=4 1010-7-7 H/m H/m =5.8=5.8 10107 7 S/m S/m則在1GHz頻率下： 銅銅=2.1um=2.1um即信號的傳導(dǎo)僅僅在銅線的表面進(jìn)行。Page10信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.4 阻抗均勻?qū)w直流電阻計(jì)算公式： ：電阻率：電阻率l l： 導(dǎo)體長度導(dǎo)體長度S S： 導(dǎo)體橫截面積導(dǎo)體橫截面積R R

5、（ACAC）：高頻下的交流阻抗：高頻下的交流阻抗f f： 工作頻率工作頻率f f0 0：產(chǎn)生明顯趨膚效應(yīng)的臨界頻率：產(chǎn)生明顯趨膚效應(yīng)的臨界頻率R R：該臨界頻率下的阻抗：該臨界頻率下的阻抗均勻?qū)w高頻阻抗計(jì)算公式：交流電阻隨頻率變化關(guān)系交流電阻隨頻率變化關(guān)系Page11寄生電容：12141. 1DDTDCr寄生電感：14ln08. 5dhhLD1: 焊盤直徑D2: 反焊盤直徑H: 過孔長度d: 過孔孔徑信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.4 阻抗：過孔阻抗Page12信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.5 介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）介電常數(shù)（Dk）準(zhǔn)確講應(yīng)該稱為相對介電常數(shù)。干燥空氣的實(shí)際

6、介電常數(shù)0，數(shù)值為8.85pF/m，為方便起見，把這個(gè)值設(shè)為1pF/m，從而得到其他介質(zhì)的相對介電常數(shù)值（Relative Permittivity），即我們現(xiàn)在常用的介電常數(shù)（dielectric constant）。從信號傳輸品質(zhì)的角度來看，介電常數(shù)的含義可以理解為介質(zhì)對電荷的吸附能力，介電常數(shù)越大，其對信號的吸附能力越強(qiáng)，可供使用的信號余量便越小。介電能力即相當(dāng)于容電能力。介電能力對比（左）和線路傳輸模型（右）介電能力對比（左）和線路傳輸模型（右）Page13信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.5 介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）損耗因子（Df）即為散失因子（dissipation fa

7、ctor），表示信號傳輸時(shí)在介質(zhì)中損失掉的能量（loss），將這個(gè)損失掉的能量與未損失的能量（stored）對比時(shí)，即得到Df。介質(zhì)損耗因子與頻率的相關(guān)性介質(zhì)損耗因子與頻率的相關(guān)性Page14 插入損耗（簡稱插損，數(shù)學(xué)描述為S21，或insertion loss）：在二端口網(wǎng)絡(luò)中，S21定義為從端口2出來的正弦波和從端口1進(jìn)入的正弦波的比值。信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.6 插入損耗的概念端口一端口二入射信號反射信號接收信號簡單二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖相位差幅度Page15信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.6 插入損耗的概念插入損耗插入損耗導(dǎo)體熱導(dǎo)體熱消耗消耗反射反射介質(zhì)損介質(zhì)損耗耗趨膚效趨膚效應(yīng)

8、應(yīng)耦合、耦合、串?dāng)_串?dāng)_輻射輻射介介質(zhì)質(zhì)中粒子中粒子振振動(dòng)導(dǎo)動(dòng)導(dǎo)致致阻抗不阻抗不連續(xù)連續(xù)導(dǎo)線發(fā)熱導(dǎo)線發(fā)熱能量向能量向環(huán)環(huán)境境中中發(fā)發(fā)射射與與鄰鄰近近傳輸傳輸線線干干擾擾作用作用增加增加導(dǎo)導(dǎo)體阻體阻抗消耗能量抗消耗能量Page16 無損傳輸線是不存在的，通路上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)造成損耗，損耗受控是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。右圖為傳輸線中主要插入損耗來源于傳輸?shù)男盘栴l率之間關(guān)系示意圖信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.6 插入損耗的概念Page17損耗和傳輸線長度的關(guān)系信號完整性基礎(chǔ)信號完整性基礎(chǔ)11.6 插入損耗的概念Page18 目目 錄錄2、信號完整性測量技術(shù)2.1 阻抗測試2.2 VNA測試2.3 SET

9、2DIL測試2.4 Dk/Df測試Page192.1 阻抗測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2 阻抗測試主要應(yīng)用TDR（Time Domain Reflector，時(shí)域反射計(jì)）的方法，TDR 使用階躍信號發(fā)生儀和示波器，在被測得傳輸線上發(fā)送一個(gè)快速的上升沿，再特定的點(diǎn)上用示波器觀察反射電壓波形。這種技術(shù)可以測出傳輸顯得特性阻抗，并顯示出每個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置和特性（阻抗、感抗和容抗）。階躍信號測試電纜被測物體TDR測試原理 由于TDR產(chǎn)生的信號幅度、測試電纜阻抗、儀器輸出阻抗確定，因此根據(jù)TDR設(shè)備接收到的反射信號幅度和時(shí)間軸數(shù)據(jù)，很容易計(jì)算出不連續(xù)阻抗的數(shù)值。Page202.1 阻抗測

10、試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2 利用TDR技術(shù)，所有這些信息都是在示波器上實(shí)時(shí)顯示。相對于其他技術(shù)，TDR 能夠給出更多的關(guān)于系統(tǒng)寬帶相應(yīng)的信息。 如下圖所示，沿著時(shí)間軸的每一點(diǎn)都對應(yīng)著被測線上的不同位置阻抗值。線寬變化導(dǎo)致阻抗變化的TDR測試曲線Page212.1 阻抗測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2 PCB阻抗測試時(shí)選擇合適的阻抗線長度是十分必要的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在阻抗線長度超過6inch，且線路損耗較大時(shí)，阻抗線后端的阻抗值將有明顯上升趨勢。11inch單端阻抗線TDR曲線57ohm50ohmPage222.1 阻抗測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2 阻抗的不規(guī)則

11、波動(dòng)是由于線路和介質(zhì)加工質(zhì)量引起的； 而阻抗的上升趨勢主要是由于長線傳輸線損耗的不可忽略造成的。華為長線阻抗的標(biāo)準(zhǔn)測量方法取值區(qū)間阻抗線Page232.2 VNA測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2VNA（Vector Network Analyzer， 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）的信號源在測試時(shí)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)掃頻的正弦波，以此激勵(lì)被測物（DUT，device under test），之后測量DUT的反射信號和傳輸信號。VNA把被測物（無論是一條線、一個(gè)面或信號網(wǎng)絡(luò)）當(dāng)做二端口網(wǎng)絡(luò)，由于其激勵(lì)信號是掃頻信號，在每一個(gè)頻點(diǎn)均可得到被測端口的頻率響應(yīng)，VNA通過分析這些激勵(lì)信號和響應(yīng)信號，計(jì)算出被測端口

12、S參數(shù)，再通過這些參數(shù)得到我們需要的量化參數(shù)值。掃頻信號掃頻信號測試原理：Page242.2 VNA測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2對于一個(gè)測試頻率范圍為20GHz的VNA，可以測試被測物從0到20GHz中間任何頻率點(diǎn)上的響應(yīng)特性。S11：反映端口阻抗特性：反映端口阻抗特性S21：反映端口插損特性：反映端口插損特性信號相位特性信號相位特性信號延時(shí)特性信號延時(shí)特性VNA中可觀測到的端口特性中可觀測到的端口特性Page252.2 VNA測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2TRL校準(zhǔn)： VNA的精確測量是基于精確而復(fù)雜的校準(zhǔn)基礎(chǔ)上的。由于電纜、探頭、SMA頭、設(shè)備本身的誤差，VNA系

13、統(tǒng)校準(zhǔn)十分必要，常用的有機(jī)械校準(zhǔn)和電子校準(zhǔn)； 另外，實(shí)際測試中過孔對于損耗測量結(jié)果有十分明顯的影響，因此需進(jìn)一步去除掉過孔的影響，而產(chǎn)生了LRM、TRL、SOLT等去嵌（de-embed）校準(zhǔn)方式。TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)工具Page262.2 VNA測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2TRL校準(zhǔn)理念在于，將線路的兩段各取一部分作為中間剩余部分線路測量的探針。表示將被校準(zhǔn)掉的線路校準(zhǔn)完成后其延時(shí)和損耗均為0表示被當(dāng)做探針的長度用于校準(zhǔn)不同頻率范圍用于校準(zhǔn)直流被測線路注意各圖形長度對應(yīng)關(guān)系TRL校準(zhǔn)圖形校準(zhǔn)圖形Page27Single End Trace To drive DIfferential

14、 Loss,利用單端線路測量差分損耗的方法。2.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2目的：簡化測量，從而使傳統(tǒng)的差分四端口測試變?yōu)楹唵蔚膯味藴y試，并將此測試方法用于批量板的監(jiān)控。傳統(tǒng)差分測試需要四傳統(tǒng)差分測試需要四個(gè)端口同時(shí)測量個(gè)端口同時(shí)測量Page282.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2理論上，損耗屬于頻域范疇，具有很強(qiáng)的頻率相關(guān)性。此處涉及兩個(gè)重要概念：假設(shè)近似和線路完全對稱；按SDD21（插損）=0.5*（S21-S23-S41+S43），在差分對完全對稱時(shí)，INTEL算法假定： S21=S43 S23=S41于是SDD21=S21-S

15、41INTEL的算法可以通過測量時(shí)域的信號響應(yīng)參數(shù)，再通過傅里葉變換轉(zhuǎn)化成頻域數(shù)值，最終得到插損測量值。從而相當(dāng)于： TDD21=T21-T41于是，按此等式，只需測試T21和T41即可計(jì)算出SDD21，即插入損耗值。T21T41Page292.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2理論上，損耗屬于頻域范疇，具有很強(qiáng)的頻率相關(guān)性。此處涉及兩個(gè)重要概念：按按INTEL算法所推導(dǎo)出的差分信號線時(shí)域參數(shù)測量方法算法所推導(dǎo)出的差分信號線時(shí)域參數(shù)測量方法THRUPage302.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2測試精度評價(jià)：與VNA相比還存在一定差距。隨著

16、頻率升高，精度不斷下降。12GHz2.3 SET2DIL測試信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)22.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2方式方式VNA測試PCB兩段長度差為10inch的信號線的S參數(shù)，利用ADS仿真軟件分析提取其中的DkDf信息設(shè)備和軟件設(shè)備和軟件E5071C網(wǎng)分儀、ADS DkDf提取模塊測試測試coupon設(shè)計(jì)不同膠含量、玻纖類型等結(jié)構(gòu)，差分/單端帶狀線驗(yàn)證驗(yàn)證用仿真提取的DkDf建模，對比阻抗和損耗的測試和仿真結(jié)果選材，設(shè)計(jì)PCB工程文件制作樣品VNA測試S參數(shù)提取Dk/Df通過仿真驗(yàn)證Dk/DfDk/Df提取基本流程提取基本流程TRL校準(zhǔn)模校準(zhǔn)模

17、塊塊DkDf提取模提取模塊塊P片片類類型型1P片片類類型型2P片片類類型型3P片片類類型型42.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)22.4 Dk/Df提取信號完整性測量技術(shù)信號完整性測量技術(shù)2軟件操作界面軟件操作界面Page35 目目 錄錄3、PCB制造與信號完整性2.1 材料2.2 工藝2.3 PCB設(shè)計(jì)Page363隨著信號頻率的增加，PCB基材介質(zhì)和導(dǎo)線都會(huì)吸收能量，造成信號完整性問題。除此之外，PCB加工過程中對材料的處理也會(huì)引入信號完整性問題。Stub lengthPCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page373.1 材料樹脂體系和loss tangent之間

18、的關(guān)系 3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性樹脂：Page38普通樹脂和低損耗樹脂對SI的影響3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page39Insertion loss at 4GHz(unit: dB/inch)MaterialIMNTMAX0.42 0.48 0.50 0.46 MIN0.35 0.36 0.37 0.41 AVE0.38 0.41 0.40 0.43 普通樹脂和低損耗樹脂對SI的影響3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性低損耗低損耗FabricNE glass (Dk 4.6)Standard E Glass Dk 6.6玻纖Page403PCB制造與信號完整

19、性制造與信號完整性Page41materialAdvantage modified materialglass stylestandard glassspread glasslow Dk glassprepreg style in stack-up1080 RC65%2116 RC55%2113 RC57%1086 RC61%1067 RC70%1086 RC64%1080 RC65%106 RC73%1080 RC68%Insertion loss at 4GHz( unit: dB/inch)Glass styleSTDSpreadLDKMAX0.610.610.58MIN0.510.52

20、0.47AVE0.56 0.55 0.52 標(biāo)準(zhǔn)、開纖、低loss玻纖對SI的影響比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page42STDLDK標(biāo)準(zhǔn)、低loss玻纖對SI的影響比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page43銅箔高速信號下，受趨膚效應(yīng)/深度的影響，銅牙長度直接關(guān)系到信號傳輸質(zhì)量：3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page440.5dB insertion loss improvement observed at 15GHzUp to 1dB insertion loss improvement in 8inch trace for VLP at 15GHzR

21、TF、VLP銅箔對SI的影響比較RTFVLP3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page45圖為三井新型銅箔與傳統(tǒng)VLP對SI的影響改善比較3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page463.1 設(shè)計(jì)3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性選材和疊構(gòu)：客戶不僅指定PP類型，同時(shí)指定芯板配本對此種情況，嚴(yán)格按客戶要求制作，不能隨意更改。Page47在客戶未指定材料的情況下，可按客戶損耗要求提供建議。不同材料的參考插入損耗-SET2DIL測試方法materialscopper standard configurationinsertion loss at 4GHZ/dB/inchinser

22、tion loss at 8GHZ/dB/inchMINMAXAVERAGEMINMAXAVERAGES1165RTF0.580.770.671.0771.4931.285TU862HFRTF0.570.820.691.0761.4171.246EM370DRTF0.620.670.651.1031.2811.192I-TeraVLP0.360.480.420.650.970.79N6800-22SIVLP0.380.510.450.720.980.85Megtron-6VLP0.410.490.460.751.050.9IT150DAVLP0.490.540.520.790.8720.831

23、TU872SLK-sp VLP0.430.510.470.791.030.9IS415SIRTF0.470.520.50.8880.9790.934I-speedRTF0.530.590.561.041.291.17N4800-20RTF0.5140.550.520.9051.0610.983Megtron-4RTF0.480.570.520.961.121.044PCB制造與信號完整性制造與信號完整性-工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)Page48Anti-pad大小對SI的影響比較-插損（建模仿真）內(nèi)外層孔環(huán): 盡量依照客戶原稿制作，設(shè)計(jì)過大可能導(dǎo)致不同層孔環(huán)間產(chǎn)生容性阻抗導(dǎo)致過孔位置阻抗突變，從而加重反射

24、，影響信號完整性。3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page49反焊盤從下到上依次為18mil、20mil、22mil、24mil、26mil高速信號PCB的設(shè)計(jì)：盡量設(shè)計(jì)較大的anti-pad，以減少銅皮對過孔的干擾。值得注意的是：有時(shí)客戶不允許PCB供應(yīng)商修改原稿設(shè)計(jì)。Anti-pad大小對SI的影響比較-插損（建模仿真）anti-pad: 3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page50Anti-pad問題實(shí)際案例：某生產(chǎn)板由于工程設(shè)計(jì)時(shí)，anti-pad掏銅過多，導(dǎo)致BGA個(gè)別位置沒有參考層，從而信號返回路徑被切斷而產(chǎn)生信號完整性問題：左圖為工程設(shè)計(jì)的anti-pad，相鄰層

25、有信號線經(jīng)過。右圖為實(shí)際板，銅橋已蝕刻斷，造成左圖綠色信號線無參考層。3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page51移線（或孔）:對于阻抗線和不清楚功能的線路要格外注意不可私自移動(dòng)；當(dāng)遇到單邊補(bǔ)償情況時(shí)，需要有工藝數(shù)據(jù)支持，保證蝕刻后線路中心位置不變。移線處理客戶端測試結(jié)果顯示，第1）種設(shè)計(jì)比第2）種多衰減0.52dB減小補(bǔ)償處理3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性Page523PCB制造與信號完整性制造與信號完整性3.3 工藝項(xiàng)目在不同工作速率下的影響度3.125 Gbs6.25 Gbs12.5 Gbs18.75 Gbs25 Gbs背鉆殘樁xxxxxxxxxxxxxxxxx線寬(中

26、值)xxxxxxxxxxxxxxx線寬(公差) xxxxxxxx線距公差(蝕刻精度)xxxxxxxx線長度公差xxxxxxxxxx線路形狀xxxxxx損耗因子(Df)xxxxxxxxxx導(dǎo)體損耗xxxxxxxxxxxx層間對位精度xxxxxx孔位精度xPage53PCB前處理等銅面粗化方式很大程度會(huì)使銅面粗糙度增加，目前已有非微蝕方式的超粗化技術(shù)，很好的保留了低粗糙度銅箔的特性，起到了改善信號完整性的作用。棕化：粗糙度約0.6um無微蝕粗化：粗糙度小于0.1um10GHz下neap技術(shù)改善損耗約5dB/m銅面粗化方式：3PCB制造與信號完整性制造與信號完整性3.3 工藝Page54控制項(xiàng)目控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)層線寬 (d)d4mil時(shí), 公差按+