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为什么阻抗测试范围不能是整个线路段而是30%(50%)~70%段?

2021-07-28 09:44
一博科技
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公众号:高速先生

作者:周伟

为什么阻抗测试范围不能是整个线路段而是30%(50%)~70%段呢?上次雷豹的这个疑问不好意思直接问师傅,但他也没有停下找寻答案的脚步,既然师傅不好问,还可以问旁边的师兄飞哥嘛!于是他又厚着脸皮问起了师兄。

师兄飞哥倒是爽快,开始耐心地给雷豹普及起阻抗测试的基础性知识:“小雷,这个问题我之前也问过师傅,现在还有点印象,正好给你说说加强一下,有些遗漏什么的你到时候再去查资料吧。阻抗测试一般是PCB板厂作为出厂时的一个产品验证指标,因为涉及到多批次的数据,所以对于结果的重复性及准确性来说就比较关键,又因为它是根据时间和长度反射回来的一条曲线,没法在某点固定取值读数,所以这个结果又取决于取值区间,一般要求这个取值区间阻抗尽量平稳,这样才能反映线路真实的阻抗值,你现在知道为什么不能看整个曲线段的结果了吧。”

雷豹若有所悟,忙不迭的答道:“阻抗区间平稳的地方应该是线路中间段,因为前端是探头与板子接触,板子如果是Coupon条那么接触点就是过孔,如果是测试板内的线路,那么一般接触点就是焊盘等,这个接触点不可避免会造成阻抗不连续,而末端一般是开路,我们都知道开路阻抗无穷大,所以看到的阻抗曲线是近似垂直向上的,这个开路阻抗对末端线路的阻抗也会有抬升影响,为了让测试结果更接近实际,阻抗按照线路的30%(50%)~70%段进行取值就显得比较科学了,是这样吗?”

 “不错,你刚刚其实还提到了一个很关键的影响,那就是探头,不同的探头对前端阻抗的影响非常大,这个可能还会影响整个线路段的阻抗,我们接着来讨论下不同探头所测试的结果差异。”师兄飞哥补充道,默默的喝了口水润了润嗓子,继续给雷豹普及起来。

“我们常规的探头一般是手持式探头,这种探头呈现的是感性,往往接口地片越长(地针离信号针越远),感性越大,和待测物接触时的阻抗也就越高,下面是一些常见的手持式探头。

图1、常见的手持式探头

这些探头测试的结果容易受地针到信号针的环路长度影响(又叫地环),如下图2所示。

图2、 探头地环的影响

拿我们自己手上的单端探头去测试阻抗,当地针放不同的位置时,可以看到如下图3所示前端的阻抗差异比较大,探头的影响持续到30%的区间,同时对整个阻抗也会有一些影响,所以我们在取值的时候要取阻抗波动比较平稳的区间也是有道理的,如果探头的接地环路更大,则会影响超过30%的区间,所以后面才又出来50%~70%的取值区间,至今还是被绝大多数板厂采用。

图3、实际手持探头的阻抗测试结果

除了手持式的感性探头,很多客户端会采用SMA头来直接进行测量,我们常用的SMA探头如下图4所示。

图4、常见高频SMA头

上面都是高频SMA头,可以应用在不同的场合,编号1和2的SMA头需要焊接,后面两种采用螺丝固定,可以重复多次使用。我们都知道焊接都是需要用锡,不同的人或者工艺焊接的性能也是有差异,锡保留多少最终导致阻抗也是有差异,一般编号1的SMA探头焊接完多数呈现容性,后面几种看设计时优化的好坏情况呈现不同的阻抗值。曾经我们有个客户就是用这种编号1的SMA头导致测试阻抗和板厂出厂时的阻抗偏差很大,一度怀疑制板有问题,请看下面的图5所示,前端的阻抗低到怀疑人生有木有?

图5、SMA头测试结果

同样的线路板厂使用手持式探头测试的结果如下图6所示。

图6、手持式探头测试结果

当然不管是SMA探头还是手持式的探头,直接点测对前端的阻抗影响还是比较大,所以市面上还有精度比较高的微探头,这种探头可以极大的减小感性及容性带来的影响,缺点就是测试点需要有一定的间距要求(固定Pitch),由于探头很小有些甚至需要在显微镜下操作,使用相对不是很方便,还有个最主要的缺点就是价格非常贵,非财大气粗的老板们还是悄悄绕道避开算了,反正我还没有用过,但不得不说下面这种探头测试出来的结果和SMA探头的结果对比还是比较理想的,如下图7所示。

图7、微探头测试结果

就算没有这种微探头,照样不会影响我们对阻抗进行良好的设计和优化,尤其是现在我们使用了可拆卸的高频SMA头,在经历了多次测试板的优化后,我们现在的高频SMA探头与板子接触点处的阻抗已经可以完全匹配了,下图8是我们分别用图4中的SMA编号3和编号4进行测试的夹具板阻抗,可以看到前端探头处阻抗基本没有什么波动,这个才是TRL去嵌测试板或夹具板最关键的技术,也是直接反映夹具性能的特征,因为现在大部分高速信号夹具接口都是使用的高频SMA头,而这个SMA头和PCB板接触点的阻抗(我们又叫Launch阻抗)才是最关键的因素,往往我们大部分工作都是在优化这个接触点的阻抗。”

图8、优化好的SMA头阻抗测试结果

没想到之前看起来很简单的阻抗测试,原来还有这么深的水,雷豹又被师兄刚才的讲解深深的折服了,陷入暗暗的沉思,看来自己以后该学的还有很多,骚年,继续努力吧!

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