王 超

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1 引言

近年來(lái)，隨著高速連接器飛速發(fā)展，其產(chǎn)品的高頻測(cè)試也越來(lái)越重要，各大連接器廠家對(duì)產(chǎn)品測(cè)試的研究愈發(fā)深入，測(cè)試變得越來(lái)越重要。測(cè)試高頻性能時(shí)，需要使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、TDR等高頻測(cè)試設(shè)備，這些設(shè)備的端口都是cable加同軸SMA公頭(見(jiàn)圖1)，而高速連接器端接方式多為魚(yú)眼壓接式、SMT表貼式，無(wú)法直接與測(cè)試設(shè)備相連，這時(shí)我們需要使用一塊PCB夾具作為轉(zhuǎn)接，一邊為SMA母頭與設(shè)備端口相連，一邊通過(guò)過(guò)孔或者焊盤(pán)與連接器相連，這樣形成一條完整的回路。產(chǎn)品測(cè)試完成后測(cè)試結(jié)果包含(PCB夾具+高速連接器)的指標(biāo)，而PCB夾具的指標(biāo)是多余的。這時(shí)，我們需要應(yīng)用去嵌入技術(shù)，將PCB夾具的指標(biāo)去掉，只留下我們的產(chǎn)品高速連接器的指標(biāo)。

圖1 高速連接器測(cè)試鏈路設(shè)備

2 去嵌入技術(shù)原理

一般連接器都屬于無(wú)源器件，我們主要是測(cè)試產(chǎn)品的S參數(shù)，S參數(shù)的測(cè)試主要基于網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)包括阻抗、插損、回?fù)p、串?dāng)_、差模轉(zhuǎn)換、偏斜等，網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率需要超過(guò)產(chǎn)品測(cè)試頻率。測(cè)試板一頭采用SMA射頻頭與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，另一頭插上連接器。業(yè)界常用的去嵌入技術(shù)一般為T(mén)RL和AFR去嵌。

2.1 TRL去嵌入技術(shù)

TRL是thru-reflect-line的縮寫(xiě)，顧名思義TRL校準(zhǔn)件的類(lèi)型有三種：thru：直通校準(zhǔn)件；reflect：反射校準(zhǔn)件；line：延時(shí)線校準(zhǔn)件。

圖2 校準(zhǔn)線原理圖

TRL校準(zhǔn)就是一個(gè)方程組求解的過(guò)程，通過(guò)測(cè)試直通、反射、延時(shí)線，從而去除THRU線的S參數(shù)，保證我們拿到DUT的S參數(shù)。校準(zhǔn)原理見(jiàn)圖2，標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)板見(jiàn)圖3。

圖3 TRL校準(zhǔn)板

a.THRU: 直通校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)如上圖所示。去掉DUT后，將左右兩端的fixture直接相連構(gòu)成直通校準(zhǔn)件，直通校準(zhǔn)件左右兩邊的fixture需要對(duì)稱(chēng)，且與實(shí)際測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上的fixture設(shè)計(jì)保持一致。

b.REFLECT: 反射校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)如上圖所示：使左端或者右端fixture與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接的地方保持開(kāi)路(open)或者短路(short)。同樣反射校準(zhǔn)件上的fixture部分必須和實(shí)際測(cè)試網(wǎng)絡(luò)左邊或者右邊f(xié)ixture部分保持一致。開(kāi)路或短路，這兩種狀態(tài)只需要選擇一種就可以，它們的反射系數(shù)幅值是不需要知道的，它可以作為一個(gè)未知量通過(guò)方程組求解出來(lái)。但在網(wǎng)分定義cal kit時(shí)需要注明是open還是short校準(zhǔn)件。

c.LINE: 延時(shí)線校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)：與直通校準(zhǔn)件不同的是它在左右fixture中間插了一定長(zhǎng)度的走線，走線的阻抗需要一致。同樣延時(shí)線校準(zhǔn)件的左右fixture設(shè)計(jì)需要和實(shí)際測(cè)試網(wǎng)絡(luò)左右fixture設(shè)計(jì)一致且對(duì)稱(chēng)。這段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的延時(shí)線傳播常數(shù)e-γl(損耗和相位)也是不需要知道的，同樣也可以當(dāng)作未知量通過(guò)方程組求解得出。

延時(shí)線校準(zhǔn)件的數(shù)量有可能不止一個(gè)，比如下圖所示有不同的四種長(zhǎng)度line。這四條line被分割了成不同的頻段來(lái)代表延時(shí)線校準(zhǔn)件。比如line1代表了160MHz～640 MHz，line2代表了640 MHz～2560 MHz，line3代表了2560 MHz～10240 MHz，line4代表了10240 MHz～20000 MHz，這四條line一起覆蓋了160 MHz～20 GHz的校準(zhǔn)頻段。分多條line的主要原因是在測(cè)試頻段內(nèi)需要避免line與thru的相位差在0度以及180度整數(shù)倍附近，不然會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)異常。通常建議line與thru的相位差在各自的頻段內(nèi)保持在30度與150度之間。較低頻段(200 MHz之內(nèi))的line長(zhǎng)度則需要很長(zhǎng)，實(shí)際走線很難實(shí)現(xiàn)，所以通常用load(負(fù)載)校準(zhǔn)件代替。如果load在頻段內(nèi)匹配足夠好的話，可以看成是一條無(wú)限長(zhǎng)的line。

d.load：使左端或者右端fixture(夾具)與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接的地方保證50Ω端接。同樣校準(zhǔn)件上的fixture部分必須和實(shí)際測(cè)試網(wǎng)絡(luò)左邊或者右邊f(xié)ixture部分保持一致。load的設(shè)計(jì)一般會(huì)采用兩個(gè)100Ω電阻并聯(lián)組成50Ω，這樣可以減小電感值。通常，load在頻段內(nèi)只需要保證S11在-40dB以下就可以滿足要求。所以，延時(shí)線校準(zhǔn)件的數(shù)量以及形態(tài)需要根據(jù)測(cè)試需求來(lái)確定，可能只需要用到load，也有可能需要用到load和幾條line。

校準(zhǔn)精度判定：校準(zhǔn)完成后可以先對(duì)thru進(jìn)行測(cè)量來(lái)評(píng)估校準(zhǔn)結(jié)果是否可用，因?yàn)閠hru去掉PCB走線后應(yīng)該是一個(gè)0長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)，理想情況下整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)損耗曲線都為0dB.如果在0dB附近波動(dòng)過(guò)大的話則說(shuō)明校準(zhǔn)可能存在問(wèn)題。

2.2 AFR去嵌入技術(shù)

AFR是Automatic Fixture Removal(自動(dòng)夾具的拆除)的縮寫(xiě)，是利用是德科技的PLTS/ADS軟件功能，則可以準(zhǔn)確的分離左右的fixture參數(shù)，得到想要的DUT參數(shù)，就像是做一個(gè)減法，用被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)減去THRU的S參數(shù)，就得到DUT的S參數(shù)。其原理見(jiàn)圖4，夾具見(jiàn)圖5。

圖4 AFR校準(zhǔn)原理圖

AFR不需要單獨(dú)做校準(zhǔn)板，夾具上需做一條2xTHRU的線，走線長(zhǎng)度為連接器到SMA的兩倍。連接器到SMA的所有走線都等長(zhǎng)(只針對(duì)同一塊測(cè)試板的走線，兩塊測(cè)試板的線長(zhǎng)可以不一樣)，可采用差分或者單端走線，如果走差分，2xTHRU也是差分，如果走單端，則 2xTHRU也是單端。 2xTHRU走線線寬、間距與連接器到SMA的走線一模一樣。如果只有一塊測(cè)試板，直接使用PLTS軟件，按去嵌向?qū)瓿扇デ叮?如果有兩塊測(cè)試板，則需將兩塊板子上的2xTHRU都測(cè)試，用軟件將S參數(shù)劈開(kāi)，各使用一半去嵌。夾具走線左右兩端fixture延時(shí)和損耗需要保證一致。AFR相對(duì)TRL是非常簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)方法，在頻率不是太高時(shí)使用沒(méi)問(wèn)題。不過(guò)，AFR在更高頻率段的校準(zhǔn)精度還有待驗(yàn)證。

圖5 AFR夾具

3 常見(jiàn)的SMA接口類(lèi)型

阻抗50Ω時(shí)，按頻率分為：

a.SMA公端射頻頭，頻率0～26.5GHz，螺紋連接和焊接式；

b.3.5mm公端射頻頭，頻率0～34GHz，螺紋連接；

c.2.92mm公端射頻頭，頻率0～40GHz，螺紋連接；

d.2.4mm公端射頻頭，頻率0～50GHz，螺紋連接；

e.1.85mm公端射頻頭，頻率0～67GHz，螺紋連接。

圖6 SMA接口類(lèi)型

SMA的選用根據(jù)產(chǎn)品速率高低選用，一般選擇對(duì)應(yīng)頻率SMA。如果沒(méi)有合適的，可以選擇頻率更高的SMA，測(cè)試效果更佳。

4 測(cè)試夾具(PCB)加工要求

對(duì)于高速連接器產(chǎn)品，測(cè)試板設(shè)計(jì)好壞是一方面，PCB板的加工也至關(guān)重要，設(shè)計(jì)完成后，提交gerber文件或者PCB設(shè)計(jì)文件(AD格式)給板廠，板廠按文件加工，板廠如果調(diào)整參數(shù)會(huì)發(fā)送加工確認(rèn)函。一般對(duì)于高速測(cè)試板，我們會(huì)規(guī)定以下內(nèi)容：

a.規(guī)定PCB層疊、銅厚、銅箔粗糙度、CORE厚度、PP厚度、玻纖布類(lèi)型等參數(shù)；規(guī)定板材類(lèi)型，比如M6；規(guī)定DK、DF值；

b.鍍層要求，OSP、電鍍金、化學(xué)金、噴錫等；

c.表層綠油、藍(lán)油或者其他顏色油墨；

d.絲印字符顏色，一般白色；

e.阻抗要求，差分100Ω/90Ω/85Ω等，單端50Ω/45Ω/42.5Ω等；

f.旋轉(zhuǎn)板材，一般要求10°以上；

g.公差范圍，板廠加工能力±10%；

h.去除非功能焊盤(pán)；

i.是否背鉆，背鉆殘留要求。

5 測(cè)試夾具驗(yàn)證

我們的測(cè)試板加工完成后，需要關(guān)注下板子以下幾點(diǎn)：

a.測(cè)試2xTHRU，看走線阻抗是否平滑，過(guò)孔阻抗在要求范圍內(nèi)；插損和回?fù)p曲線平滑無(wú)明顯較大諧振；

b.測(cè)試連接器，看魚(yú)眼過(guò)孔阻抗是否在要求值；查看差分對(duì)內(nèi)延時(shí)差是否在要求值；查看串?dāng)_曲線是否異常。

圖7 2xTHRU指標(biāo)

6 玻纖布對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

玻璃纖維作為PCB材料的原料之一。它的作用就好比房子是水泥跟鋼筋構(gòu)造的一樣，玻璃纖維布對(duì)樹(shù)脂起著鋼筋的作用，玻璃纖維有著很多的特點(diǎn)，現(xiàn)列舉如下：

a.用于低溫-196℃，高溫300℃之間，具有耐氣候性；

b.非粘著性，不易粘附任何物質(zhì)；

c.耐化學(xué)腐蝕，能耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、王水及各種有機(jī)溶劑的腐蝕；

d.摩擦系數(shù)低，是無(wú)油自潤(rùn)滑的最佳選擇；

e.透光率達(dá)6～13 %；

f.具有高絕緣性能、防紫外線、防靜電；

g.強(qiáng)度高。具有良好的機(jī)械特性；

h.耐藥劑性。

所有這些特點(diǎn)在PCB材料上面體現(xiàn)的淋漓盡致，比如高溫、ESD、絕緣性和耐腐蝕等。所以，現(xiàn)在PCB材料的發(fā)展也是伴隨著玻纖布的發(fā)展而進(jìn)步。

圖8 常見(jiàn)玻纖布類(lèi)型

對(duì)于信號(hào)速率越來(lái)越高的情況，玻纖布的編織方式對(duì)信號(hào)完整性影響也非常的大，尤其是對(duì)于差分對(duì)信號(hào)線，其問(wèn)題的根本原因在于玻纖效應(yīng)會(huì)引起對(duì)內(nèi)偏斜(Skew)。

圖9 玻纖布上的差分走線

圖10 SKEW對(duì)信號(hào)性能影響

減小玻纖布的方法：需要注意的是，玻纖效應(yīng)對(duì)于高速長(zhǎng)走線影響最大，低速系統(tǒng)或者很短的走線可以不考慮。關(guān)于對(duì)策，主要是材料選擇、設(shè)計(jì)規(guī)避以及生產(chǎn)規(guī)避。

6.1 材料選擇規(guī)避

a.使用空窗小的玻璃纖維布。也就是大家說(shuō)的扁平玻璃布，開(kāi)纖布(玻纖打散)等。從源頭避免由于玻璃纖維布空窗處有效介電常數(shù)波動(dòng)的存在。例如：1067/1078/2116等。

b.使用多張玻璃纖維布疊加，降低露窗概率。方法是可行的，除非介質(zhì)較厚本來(lái)就需要多張PP疊加，否則，個(gè)人認(rèn)為不如第一種。一來(lái)是成本、二來(lái)玻纖布超過(guò)三張制造時(shí)容易滑片。

c.使用低介電常數(shù)玻璃纖維布，降低玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)差，減小空窗內(nèi)和空窗外的有效介電常數(shù)差。注意：低介電常數(shù)玻璃纖維布通常只配備超低損耗板材。也就是常說(shuō)的高速板材，成本高。

6.2 設(shè)計(jì)規(guī)避

a.重要信號(hào)走帶有一定角度的線，3°、7°、10°等等都行，基本不增加成本，但是layout更難做一些。

b.重要信號(hào)旋轉(zhuǎn)角度布局，增加了設(shè)計(jì)難度。

c.正常設(shè)計(jì)之后，拼板時(shí)旋轉(zhuǎn)10°拼板。

6.3 生產(chǎn)規(guī)避

a.正常設(shè)計(jì)讓板廠生產(chǎn)時(shí)將材料旋轉(zhuǎn)。我們用芯板是從大料上裁剪下來(lái)的，大料是方形的，旋轉(zhuǎn)裁剪勢(shì)必降低板材利用率，PP也得用更大張的，會(huì)增加制造成本；

b.目前，行業(yè)內(nèi)為了避開(kāi)玻纖效應(yīng)，主要是采用走線與波纖方向成一定夾角，采用開(kāi)窗更小更密的波纖布。如果以后工藝改進(jìn)是不是可以不用玻纖布或者有沒(méi)有沒(méi)有開(kāi)窗的玻纖布，這樣就不存在這個(gè)問(wèn)題了。

7 結(jié)束語(yǔ)

高速連接器作為系統(tǒng)鏈路中至關(guān)重要的部分，連接器性能如何判斷，對(duì)于連接器廠家而言及其重要。目前，部分廠商測(cè)試采用不去嵌方式，判斷方法為連接器加測(cè)試夾具，但這對(duì)測(cè)試夾具的損耗等要求更高，測(cè)試板性能差會(huì)極大的干擾測(cè)試結(jié)果。眼下，大部分連接器廠商還是采用去嵌處理，得到單獨(dú)連接器的S參數(shù)，排除了夾具的干擾，得到的結(jié)果也更準(zhǔn)確。不管是采用TRL去嵌處理，還是采用AFR去嵌處理，在去嵌前先要保證測(cè)試夾具滿足要求，所以對(duì)于測(cè)試夾具的制作加工精度要求較高。去嵌入技術(shù)已經(jīng)是高速連接器測(cè)試中必不可少的一環(huán)。