PCB板内阻抗的测控方法

发布时间：2022-10-13 16:09:22 发布人：

现代电子设备不断向精密化、小型化演变，而其内部使用的电路板也逐渐向高难度、高密度、高频、高速方向发展。这就对PCB板内阻抗的控制提出了更高的要求。

众所周知，由于PCB的阻抗值的控制是通过在线路板内添加阻抗条coupon来实现的。但板内阻抗线与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诸多原因，板内真实阻抗与coupon阻抗存在一些差异。这就对PCB厂家对PCB板内阻抗的控制带来了严峻的挑战。

本文基于现有的检测技术手段，从PCB板内的阻抗与Coupon真实差异、测试原理、技术等出发，对这一问题进行探讨。

1、板内阻抗与Coupon存在的差异性问题

图1板内阻抗与Coupon示意图

（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根据实际的需求而设计生产的。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实际需要而做不规则变化。

 (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，其差异也给阻抗的测试带来了较大的影响。

2、阻抗测试值的影响

(1) Coupon测试点间距与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。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也会有所差异,这样制成的PCB板在不同的位置上介电常数往往不相同，特征阻抗也自然不同。

(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。

即如此，那么我们就用真实的实验测试数据来验证以上的理论逻辑推理。

3 测试对比

3.1 测试环境

A.测试环境温度：23℃

B.湿度：55%RH

C.测试板图片：

图2 测试样板

3.2 测试波形对比

图3 Coupon测试波形

图4 板内测试波形

3.3 测试数据对比

图5 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。

4.板内阻抗测控方法

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6 TDR原理示意图

4.2 常用阻抗模型

图7奇模和偶模阻抗

图8 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9 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10 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 板内阻抗测试的注意事项

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0.5～3mm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，这种偏差主要由阻抗线的走线环境、位置、工艺有关。

（2）随着阻抗控制精度要求的提高，越来越多的客户要求进行板内阻抗测试，这是阻抗测试发展的需求。

（3）板内差分阻抗测试采用虚拟地原理，有效避免了测试中寻找接地点，2个信号针就可以完成差分阻抗测试。