HF-Geräte - Impedanzkontrolle auf Leiterplatten, Steckverbindungen und Leitungen

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1 HF-Geräte - Impedanzkontrolle auf Leiterplatten, Steckverbindungen und Leitungen Berlin, TDR: Zeitbereichsreflektometrie Sequid Module & Systeme Sequid Material- Analysis

2 HF-Geräte - Impedanzkontrolle auf Leiterplatten, Steckverbindungen und Leitungen Einleitung HF-Messgeräte: TDR & vektorielle Netzwerkanalyse (VNA) Impedanzkontrolle Grundlagen Anforderungen an die Leiterplatte & Materialparameter Testcoupons Schaltungs- & Systemanalyse Praktische Anwendungen Testcoupons Vermessung von SMA-Steckern Vermessung von Kabel Anwendungs- Exoten Zusammenfassung

3 Verwendete Abkürzungen TDR: Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry) HF: Hochfrequenz PCB: Leiterplatte (Printed Circuit Board)

4 Sequid GmbH TDR-Systeme zur Impedanzkontrolle TDR- & HF-Messgeräte zur Materialanalyse Systemlösungen zur Qualitätssicherung Charakterisierung von HF-Schaltungen als Dienstleistung Beratungsdienstleistungen im Bereich der HF-Schaltungsentwicklung Softwarelösungen zur Berechnung von Impedanzen auf Leiterplatten Sequid GmbH Airbus-Allee Bremen Internet: info@sequid.com Tel Fax

5 Was ist Hochfrequenz? Bsp. 1: Komplexe HF-Schaltung mit verteilten Leitungselementen CLK FPGA t d 1ns ½ t CLK < t d t CLK 500 MHz Wenn die Flanke der CLK schon wieder fällt, kommt die steigende Flanke erst am FPGA an! Bsp. 2: Digitalschaltung mit schnellen Logikbausteinen

6 Hochfrequenzmessgeräte zur Impedanzkontrolle (Beispiele) Vektorielle Netzwerkanalyse VNA Zeitbereichsreflektometrie TDR Rohde & Schwarz Agilent Anritsu LeCroy Tektronix Agilent Polar Sequid

7 HF-Messgeräte zur Impedanzkontrolle Vektorielle Netzwerkanalyse VNA Zeitbereichsreflektometrie TDR Messung von reflektierten HF-Signalen diskrete Frequenzen / monofrequent Sweep über Messbandbreite DF ca. 10MHz - 40GHz Wahl geeigneter Frequenzen zur Überführung in Zeitbereichssignal Messung der Reflexionen von HF- Sprungsignalen (hohe Bandbreite) Anstiegszeit: 30 ps ps d.h. BW: 20 GHz 0.6 GHz Berechnung des Impedanzverlaufs aus Reflexionssignal Berechnung des Zeitsignals mittels inverser Fourier-Transformation (IFFT) Berechnung des Impedanzverlaufs aus Reflexionssignal IFFT Z 0 Z 0 R(f) r(t) Z 0 (t) r(t) Z 0 (t)

8 HF-Messgeräte zur Impedanzkontrolle Vektorielle Netzwerkanalyse VNA Zeitbereichsreflektometrie TDR Hohe Messgenauigkeit durch Hohe Dynamik Hohe Bandbreite Etablierte Kalibrierverfahren (Open/Short/Load) Hohe untere Grenzfrequenz Begrenzt die Länge bzw. Größe des zu messenden Objekts Hohe Anschaffungskosten Hohe Qualifikation des Nutzers + _ Schnelles Messverfahren Kleine Geräte verfügbar Intuitiv (einfacher) zu bedienen Niedrige untere Grenzfrequenz Dedizierte Systeme verfügbar Geringere Dynamik Geringere Genauigkeit + _ Relativ große Geräte Messgenauigkeit langsam

9 TDR - Messprinzip TDR-Geräte werden auch als Kabelradar bezeichnet Schneller Spannungssprung wird erzeugt und in Messobjekt gespeist Signal breitet sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit c aus Schneller Spannungssprung hohe Ortsauflösung (65ps 0.5cm) kurze Leitungen Änderung von Leitungsgeometrien & Materialparameter Reflexionen Detektion & Auswertung (Laufzeit & Form) der Reflexionen ermöglichen Aussagen über Ort & Ursache

10 Wichtige TDR-Kenndaten Anstiegszeit (Bandbreite) Jitter & Drift (Stabilität der Zeitbasis) Amplituden-Stabilität Wiederholrate (untere Grenzfrequenz) Symmetrie bei differentiellen TDR Kalibriermethoden

11 TDR-Kenngrößen: Anstiegszeit 100% t r = 31ps 90% 80% Tektronix DSA-8200 / 80E04 20% 0% 10% Anstiegszeiten 20% - 80% 10% - 90% t r = 23ps

12 TDR-Kenngrößen: Jitter, Drift und Amplitudenrauschen V rmse = 0.6 mv J rmse = 1.7ps J pkpk = 8.8ps Jitter Peak-To-Peak RMSE Drift Langsamere zeitliche Verschiebung Temperatureinfluss Amplitudenrauschen RMSE

13 Wiederholrate des TDR-Sprungsignals t rtr 2 s v Roundtrip -Zeit s tmr t rtr Multiple Reflexionen TDR arbeitet i.d.r. mit Sequential Sampling Technik Das TDR-Signal wird periodisch wiederholt Die Abtastung erfolgt sukzessive Wiederholrate f r muss zur Ausdehnung des Messobjekts passen Bei kleineren Messobjekten (PCB) z.b. f r = 10MHz Bei langen Kabeln z.b. f r = 100kHz f r 1 t mr

14 Symmetrie von differentiellen TDR-Signalen zeitgleich ( 1ps) Sequid DTDR-65 Moderne digitale Systeme verwenden differentielle Signale (z.b. LVDS) Differentielles TDR verfügt über 2 komplementäre TDR-Kanäle Die differentiellen Signale sollten sehr ähnlich sein (invertiert) Zeitgleicher Spannungssprung Überschwinger sehr symmetrisch (wichtig für HF-Messungen) Exakte symmetrische Anregung keine GND Kontaktierung notwendig

15 Kalibrierung von HF-Messgeräten Messgeräte & Anschlusskabel grundsätzlich fehlerbehaftet 1. Interne Leitungen nicht exakt 50W 2. Fehlangepasste Sprunggeneratoren & Sampler 3. Anschlusskabel & Probes verursachen Reflexionen Verwendete Kalibrierverfahren Open- / Short- / Load-Kalibrierung (LL / KS / 50W, etabliert bei VNA) Normalisierung (KS & 50W, Agilent App.-Note ) Firmeninterne Routine Werksinterne Kalibrierung Verwendete Kalibrierstandards z.b. Rosenberger, Pasternack, Agilent, Rohde & Schwarz Economy & Inhouse Varianten Kalibrier-Substrate

16 Theorie der Übertragungsleitungen Ableitung der Leitungsbeläge aus diskreten Bauelementen: R : Ohm sche Verluste L : Induktivität G : Querleitwert Primäre Parameter C : Kapazität Differentialgleichung 2. Ordnung ergibt: u( z) u cosh( z) Z i sinh( z) Ausbreitungskonstante Leitungsimpedanz Z ( R j L ) ( G j C ) ( j L R ) ( j C G ) Sekundäre Parameter Größte praktische Relevanz für Leitungsimpedanz: C! Z L C

17 Beeinflussung der Leitungsimpedanz durch Material- & Fertigungstoleranzen e r,s 4.0 (ca. 10% ) h = 110mm ( 13mm) w t = 168mm (-40mm / +10mm) w b = 178mm (-40mm / +10mm) t L = 50mm (ca. 10% 5mm) e r,s 3.2 (ca. 10% ) FR4 Simulationsergebnisse* unter Ausnutzung der obigen Toleranzen Z min = 45W Z max = 59W *Simuliert mit STLC (Sequid Transmission Line Calculator)

18 Maßnahmen zur Erreichung höherer Genauigkeiten bzgl. der Leitungsimpedanzen Verwendung von professionellen Leitungsberechnungstools (freie modellbasierte Berechnungen i.d.r. nicht ausreichend) Absprache mit Leiterplattenhersteller bzgl. der verwendeten Substrate mit den zugehörigen Dielektrizitätskonstanten Beachtung der Fertigungstoleranzen des LP-Herstellers (LPH) Homogene Kupferverteilung auf LP gewährleisten (gleichmäßigerer Kupferauftrag bei Aufgalvanisierung) Vermessen der gefertigten Leitungen Testcoupon-Messungen (industrieller Standard, wird vom LPH durchgeführt) In der realen Schaltung (erfordert spezielle Messgeräte) Gerade bei FR4-Platinen unerlässlich!

19 Testcoupons zur Impedanzkontrolle Testcoupon-Messungen sind industrieller Standard Werden repräsentativ für einen Nutzen vermessen Leitungslänge üblicherweise beträgt ca. 12 cm Anhand der Testmessungen werden Messprotokolle erstellt Nutzplatine Nutzplatine ca. 12cm Nutzplatine Nutzplatine Nutzplatine Nutzplatine Testcoupon Fertigungsnutzen

20 Impedanzkontrolle Darstellung mittels Toleranzmaske Länge [mm] nicht trivial! Offenes Leitungsende Einschwingen am Probe/PCB-Übergang Zielimpedanz Impedanzverlauf über Leitungslänge Toleranzmaske

21 Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals Streifenleitung Mikrostreifenleitung e r,0 = 1 Luft e r = 4 e r,1 = 4 v sl c e r c 2 v ms e c r, eff e r,eff < e r,1 Funktion der Geometrie vms v sl

22 Beispiel 1a: Leitungsimpedanzen auf PCB in unterschiedlichen Lagen Differentielle Leitungen (12cm in Innen- & Außenlage) Unterschiedliche Laufzeiten Außen / Innen Unterschiedliche Impedanzen 125W / 112W

23 Beispiel 1b: Erforderliche Mindestlänge von Testcoupons bzw. Leitungen Mindestlänge der Testleitung hängt von Steilheit des TDR-Signals ab Flache Flanken bedingen längere Testleitungen Starke Überschwinger machen längere Leitungen notwendig Übergang von Probe zur Leitung sollte beachtet werden Einfluss der Kalibrierung (Open / Short / Load) s. nächste Folie 5cm 10cm 5cm 10cm

24 Beispiel 1b: Erforderliche Mindestlänge von Testcoupons bzw. Leitungen Mindestlänge der Testleitung hängt von Steilheit des TDR-Signals ab Flache Flanken bedingen längere Testleitungen Starke Überschwinger machen längere Leitungen notwendig Übergang von Probe zur Leitung sollte beachtet werden Einfluss der Kalibrierung (Open / Short / Load) 5cm 10cm 5cm 10cm 5cm

25 Beispiel 2a: Leitungsimpedanz auf PCB Messobjekt: Low-cost FR4 Multilayer-PCB Differentielle Leitung in Außenund Innenlage Offener Leitungsabschluss Via-Durchmesser ansteigend Sequid Probe: SDTP-E Messpunkte Offenes Ende Ergebnisse Impedanz der Außenlage > 110Ω Impedanz der Innenlage 105Ω Ortsauflösung: Via-Abstand 25mm sehr gut zu detektieren Einfluss der Vias sehr gut messbar (kapazitiver Einfluss) 25mm

26 Beispiel 2b: Effekt von Vias aus den Impedanzverlauf Blind-Vias Through-Vias Through-Via Blind-Via Einfluss von Blind-Vias kleiner Gleichmäßigerer Impedanzverlauf C! Z L C Aber höhere Kosten!

27 Beispiel 3: Impedanz von (SMA)-Steckern 1 2 Unterschied: 500µm Typisches RG405-Kabel mit 1. korrekt montiertem Stecker 2. fehlerhaft montiertem Stecker Impedanzstörung durch lokale Kapazität Von beiden Seiten gut detektierbar Nebenergebnis: Leitungsimpedanz des RG405 außerhalb der Spez. (50Ω ± 1Ω)

28 Beispiel 4: Impedanz von Kabeln Markt derzeit (noch zu) wenig sensibilisiert Kabel außerhalb der Spezifikation erhältlich Beispiele: RG405 (50Ω ± 1Ω) aus Bsp. 3: 52Ω RG58U (50Ω ± 2Ω): 5m 1 = 85Ω / 2m, 2 = 60 Ω RG174 (50Ω ± 2Ω): 0.6m 3 = 49Ω Extreme Unterschiede!

29 Beispiel 5: USB 3.0 (Spezifikation) Aus: Universal Serial Bus 3.1 Specification, Rev.01, July 2013 Wellenimpedanz-Spezifikationen: Konnektoren: 90Ω ± 10Ω zu messen mit einem 40ps TDR-Signal (20% - 80%) z.b. Tektronix 80E04 ( 23ps), Sequid DTDR-65 ( 35ps) Kabel 90Ω ± 5Ω zu messen mit einem 200ps TDR-Signal (10% - 90%) Intra-Pair-Skew: Maximum: 15ps/m gemessen mit DTDR-65 Test-Serie mit 20 Wiederholungen (0.2ps Standardabweichung)

30 Beispiel 5: USB 3.0 (Messungen) Messung von 2 Standard USB-Kabeln (20cm) Konnektoren sind jeweils nicht OK Kabel sind OK Skew-Messungen: Single-Ended Signal bei diff. Anregung (10 cm Adapter) Round-Trip-Skew : 2.5ps (20cm), Skew = 1.25ps (10cm) 12.5ps/m OK! 2.5ps

31 Beispiel 6: Induktive Drehgeber Induktive Drehgeber nutzen magnetische Feldspulen Magnetisches Feld steigt mit Anzahl der Wicklungen Feldspule Hohe Wicklungsdichte: Kurzschluss-Risiko FR4 Optisch nur (schwer) in Außenlagen detektierbar Optisch in Innenlagen nicht detektierbar Stand der Technik: Röntgen-Analyse Teuer & zeitaufwendig auch nicht 100%ig sicher Ist TDR geeignet? Fehlerhafte Strukturen erkennbar? Fehlerlokalisierung möglich?

32 Beispiel 6: Induktive Drehgeber Hohe Dichte der Feldspulen Feldspule: Modelliert als Induktivität L spiral Parasitäre Kapazitäten: modelliert als C p Starke Kopplung zwischen Feldspulen Lokalisierung nicht möglich Messung von 6 Mustern: 3 OK / 3 NOK Reflektogramm (TDR) Reflektogramm (S 11, Frequenzbereich)

33 Zusammenfassung Gegenüberstellung der HF-Systeme TDR und VNA Wichtige Kenngrößen von TDR-Systemen Fertigungs- & Materialtoleranzen in der PCB-Fertigung Messung von Impedanzen in Leitungen Steckern Komplexen Systemen Sequid DTDR-65 Vielen Dank! Fragen?