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pcba打样工厂:特性阻抗详解


发布者:菠萝制造 | 人气:45 | 发表时间:2019-06-17
  抽象又复杂的数位高速逻辑原理,与传输线中方波讯号的如何传送, 以及如何确保其讯号完整性(Signal Integrity),降低其杂讯(Noise)减少之误动作等专业表达,若能以简单的生活实例加以说明,而非动则搬来一堆数学公式与难懂的物理语言者,则对新手或隔行者之启迪与造福,实有事半功倍举重若轻之受用也。



  然而,众多本科专业者,甚至杏坛为师的博士教授们,不知是否尚未真正进入情况不知其所以然?亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知,或是二者心态兼有之!坊间大量书籍期刊文章,多半也都言不及义缺图少例,确实让人雾里看花,看懂了反倒奇怪呢!

  笔者近来获得一份有关阻抗控制的简报资料,系电性测试之专业日商HIOKI所提供。其内容堪称文要图简一看就懂,令人爱不释手。正是笔者长久以来所追求的境界,大喜之下乃征得原著“问港建”公司的同意,并经由港建公司廖丰莹副总的大力协助,以及原作者山崎浩(Hiroshi Yamazaki)及其上司金井敏彦(Toshihiko Kanai)等解惑下,得以完成此文,在此一并感谢。并欢迎所有前辈先进们,多多慨赐类似资料嘉惠学子读者,则功在业界善莫大焉。

  一 .将讯号的传输看成软管送水浇花

  1.1 数位系统之多层板讯号线(Signal Line)中,当出现方波讯号的传输时,可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加压使其射出水柱,另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好,而让水柱的射程正确洒落在目标区时,则施与受两者皆欢而顺利完成使命,岂非一种得心应手的小小成就?

  1.2 然而一旦用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资源,甚至还可能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!不仅任务失败横生挫折,而且还大捅纰漏满脸豆花呢!

  1.3 反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的结果。过犹不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。

  1.4 上述简单的生活细节,正可用以说明方波(Square Wave)讯号(Signal)在多层板传输线(Transmission Line,系由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成)中所进行的快速传送。此时可将传输线(常见者有同轴电缆Coaxial Cable,与微带线Microstrip Line或带线Strip Line等)看成软管,而握管处所施加的压力,就好比板面上“接受端”(Receiver)元件所并联到Gnd的电阻器一般(是五种终端技术之一,请另见TPCA会刊第13期“内嵌式电阻器之发展”一文之详细说明),可用以调节其终点的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配接受端元件内部的需求。

  二. 传输线之终端控管技术(Termination)

  2.1 由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点,欲进入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作时,则该讯号线本身所具备的“特性阻抗”,必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行,如此才不致任务失败白忙一场。用术语说就是正确执行指令,减少杂讯干扰,避免错误动作”。一旦彼此未能匹配时,则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹,进而形成反射杂讯(Noise)的烦恼。

  2.2 当传输线本身的特性阻抗(Z0)被设计者订定为28ohm时,则终端控管的接地的电阻器(Zt)也必须是28ohm,如此才能协助传输线对Z0的保持,使整体得以稳定在28 ohm的设计数值。也唯有在此种Z0=Zt的匹配情形下,讯号的传输才会最具效率,其“讯号完整性”(Signal Integrity,为讯号品质之专用术语)也才最好。

  三.特性阻抗(Characteristic Impedance)

  3.1 当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层)中,理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径Return Path),如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结,即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值(Instantanious Impedance),此即所谓的“特性阻抗”。

  是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w)、线厚(t)、介质厚度(h)与介质常数(Dk)都扯上了关系。此种传输线之一的微带线其图示与计算公式如下: 【笔者注】Dk(Dielectric Constant)之正确译词应为介质常数,原文中之...r其实应称做“相对容电率”(Relative Permitivity )才对。后者是从平行金属板电容器的立场看事情。由于其更接近事实,因而近年来许多重要规范(如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141与IEC-326)等都已改称为... r了。且原图中的E并不正确,应为希腊字母 (Episolon)才对。

  3.2 阻抗匹配不良的后果

  由于高频讯号的“特性阻抗”(Z0)原词甚长,故一般均简称之为“阻抗”。读者千万要小心,此与低频AC交流电(60Hz)其电线(并非传输线)中,所出现的阻抗值(Z)并不完全相同。数位系统当整条传输线的Z0都能管理妥善,而控制在某一范围内(±10﹪或 ±5﹪)者,此品质良好的传输线,将可使得杂讯减少而误动作也可避免。  但当上述微带线中Z0的四种变数(w、t、h、 r)有任一项发生异常,例如图中的讯号线出现缺口时,将使得原来的Z0突然上升(见上述公式中之Z0与W成反比的事实),而无法继续维持应有的稳定均匀(Continuous)时,则其讯号的能量必然会发生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯及误动作了。下图中的软管突然被山崎的儿子踩住,造成软管两端都出现异常,正好可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。

  3.3 阻抗匹配不良造成杂讯

  上述部分讯号能量的反弹,将造成原来良好品质的方波讯号,立即出现异常的变形(即发生高准位向上的Overshoot,与低准位向下的Undershoot,以及二者后续的Ringing;详细内容另见TPCA会刊第13期“嵌入式电容器”之内文)。此等高频杂讯严重时还会引发误动作,而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈容易出错。

  四. 特性阻抗的测试

  4.1 采TDR的量测

  由上述可知整体传输线中的特性阻抗值,不但须保持均匀性,而且还要使其数值落在设计者的要求的公差范围内。其一般性的量测方法,就是使用“时域反射仪”(Time Domain Reflectometry;TDR )。此TDR可产生一种梯阶波(StepPulse或Step Wave),并使之送入待测的传输线中而成为入射波(Incident Wave)。于是当其讯号线在线宽上发生宽窄的变化时,则萤光幕上也会出现Z0欧姆值的上下起伏振荡。

  4.2 低频无须量测Z0,高速才会用到TDR

  当讯号方波的波长(λ读音Lambda)远超过板面线路之长度时,则无需考虑到反射与阻抗控制等高速领域中的麻烦问题。例如早期1989年速度不快的CPU,其时脉速率仅10MHz而已,当然不会发生各种讯号传输的复杂问题。然而,目前的Pentium Ⅳ其内频却已高达1.7GHz自然就会问题丛生,相较当年之巨大差异,岂仅是霄壤云泥而已! 由波动公式可知上述当年10MHz方波之波长为:

  但当DRAM晶片组的时脉速率已跃升到800MHz,其方波之波长亦将缩短到37.5cm;而P-4 CPU之速度更高达1.7GHz其波长更短到17.6cm,则其PCB母板上两者之间传输的外频,也将加速到400MHz与波长75cm之境界。可知此等封装载板(Substrate)中的线长,甚至母板上的的线长等,均已*近到了讯号的波长,当然就必须要重视传输线效应,也必须要用到TDR的测量了。

  4.3 TDR由来已久

  利用时域反射仪量测传输线的特性阻抗(Z0)值,此举并非新兴事物。早年即曾用以监视海底电缆(Submarine Cable)的安全,随时注意其是否发生传输品质上的“不连续(Disconnection)的问题。目前才逐渐使用于高速电脑领域与高频通讯范畴中。

  4.4 CPU载板的TDR测试

  主动元件之封装(Packaging)技术近年来不断全面翻新加速进步,70年代的C-DIP与P-DIP双排脚的插孔焊装(PTH),目前几已绝迹。80年金属脚架(Lead Frame)的QFP(四边伸脚)或PLCC(四边勾脚)者,亦渐从HDI板类或手执机种中迅速减少。代之而起的是有机板材的底面格列(Area Array)球脚式的BGA或CSP,或无脚的LGA。甚至连晶片(Chip)对载板(Substract)的彼此互连(Interconnection),也从打金线(Wire Bond)进步到路径更短更直接的“覆晶”(Flip Chip; FC)技术,整体电子工业冲锋之快几乎已到了瞬息万变!

  Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 Hi Tester”,为了对1.7GHz高速传输FC/PGA载板在Z0方面的正确量测起见,已不再使用飞针式(Flying probe)快速移动的触测,也放弃了SMA探棒式的TDR手动触测(Press-type)的做法。而改采固定式高频短距连缆,与固定式高频测针的精准定位,而在自动移距及接触列待测之落点处,进行全无人为因素干扰的高精密度自动测试。

  在CCD摄影镜头监视平台的XY位移,及Laser高低感知器督察Z方向的落差落点,此等双重精确定位与找点,再加上可旋转式接触式测针之协同合作下,得以避免再使用传统缆线、连接器、与开关等仲介的麻烦,大幅减少TDR量测的误差。如此已使得“1109HiTESTER”在封装载板上对Z0的量测,远比其他方法更为精确。

  实际上其测头组合,是采用一种四方向的探针组(每个方向分别又有1个Signal及2个Gnd)。在CCD一面监视一面进行量测下,其数据当然就会更为准确。且温度变化所带来的任何误差,也可在标准值陶瓷卡板的自动校正下减到最低。

  4.5 精确俐落大小咸宜

  此款最新上市的1109,不但能对最高阶封装载板的CPU进行Z0量测,且对其余的高价位CSP、BGA、FC等,也都能在游刃有余下完成逐一精测。其之待测尺寸更可从10mm×10mm的微小,一跃而至到500mm×600mm的巨大,剧变情势下均能应对裕如令人激赏。未来业界也许还要对Coupon以外的实际讯号线要求量测Z0,此高难度的TDR技术,目前亦正在研发中.

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