Dämpfungssimulation und messung für. Polar Instruments

Transkript

1 Dämpfungssimulation und messung für High-Speed-Anwendungen Hermann Reischer Polar Instruments

2 Agenda Die verlustbehaftete Übertragungsleitung Dämpfungsmessung in der Serienfertigung i IPC D24 - TM und SET2DIL Coupon Tests Kontaktierung Cgen Coupongenerator Atlas Bedieneroberfläche Polar Instruments

3 Die verlustbehaftete Übertragungsleitung: L R L R L R G C G C G C Z 0 R j L G j C R = Widerstandsbelag in Ohm/m C = Kapazitätsbelag in F/m L = Induktivitätsbelag in H/m G = Ableitungsbelag in S/m = Winkelfrequenz

4 Der ohmsche Leitungswiderstand R l A Wbi Wobei: R = Leiterbahnwiderstand (rho) = der spezifische Widerstand des Leiters in Ohm Meter l = die Länge des Leiters in Meter A = Querschnitt des Leiters in m²

5 Der ohmsche Leitungswiderstand Beispiel: Eine Leiterbahn mit 80/100 µm Breite, 17 µm Kupferdicke und 0.3 m Länge besitzt einen DC-Widerstand von 3.2 Ohm!

6 Der Skineffekt Microstrip i Signal Signal-Retourpfad Magnetfelder innerhalb eines Leiters führen zu einer Stromverdrängung an die Leiterbahnoberfläche und damit zu einer Verringerung des nutzbaren Leiterbahnquerschnitts -> Erhöhung des Widerstandes.

7 Skintiefe über Frequenz

8 Der Einfluss der Kupfer-Oberflächenrauheit Elektrische Wegstrecke verlängert sich!

9 Simulation der Kupfer-Oberflächenrauheit

10 Dielektrische Verluste Kondensator Ein idealer Kondensator mit Luft als Dielektrikum besitzt einen unendlich großen DC-Widerstand. Ein idealer Kondensator besitzt keine Verluste. Reale Dielektrikas weisen einen Widerstand auf, dies führt zu Leckstrom. Der Stromfluß in einem Dielektrikum führt zu einer ständigen Neuausrichtung des elektrischen Dipoles. Diese Drehung der Dipole führt zu Friktion und somit zu einer Erwärmung des Dielektrikums (Bsp. Mikrowellenherd).

11 Der Verlustfaktor des Basismaterials Bei hohen Frequenzen e erhöht sich die Leitfähigkeit e t aufgrund u der vermehrten e Bewegung der Dipole. Verlustfaktor: wobei: bi tan( ) 2 f 0 r (Sigma) ist die AC-Leitfähigkeit des Dielektrikums. f ist die Frequenz in Hz. 0 ist die Permittivität des Vakuums, (8,854 x F/cm). r ist die relative Dielektrizitätskonstante, dimensionslos. tan( ) ist der Verlustfaktor des Basismaterials, dimensionslos.

12 Dämpfungsberechnung mit dem 2D Field Solver

13 Dämpfungsberechnung mit dem Polar Si9000e p g g 2D Field Solver

14 Verluste in Übertragungsleitungen Abstrahlverluste Signaleinkopplung auf benachbarte Leitungen Impedanz-Fehlanpassung geringer Einfluss verursacht Verzerrungen der Impulsflanken führt zu starken Signalverzerrungen Li Leitungsverluste Hauptursache für Verluste in Signal- und dretourpfad dielektrische Verluste Hauptursache Energieverlust im dielektrischen Material Verlustfaktor Tan

15 Typische Verlustfaktoren und Dielektrizitätskonstanten Material tan( ) r Luft FR Polyimid Nelco N6000SI Rogers RF

16 Produktionstest für Serienfertigung - VNA oder TDR? Eine konventionelle, differentielle Dämpfungsmessung benötigt vier TDR- oder VNA Kanäle Erfordert geschultes Bedienpersonal Relativ langsamer Test Hohe Investitionskosten Nur bedingt für Serienprüfung einsetzbar Polar Instruments

17 Time Domain Reflectometer TDR Bewährtes Testverfahren in der LP-Industrie Robuste, etablierte Messtechnik Kurze Testzeit Kalibrierfähige, rückführbare Ergebnisse Polar Instruments

18 IPC TM Test Methods to Determine the Amount of Signal Loss on Printed Boards (PBs) IPC D24 Kommittee Vier verschiedene Testmethoden EBW, RIE, SPP, FD Zusätzlich Etablierung der SET2DIL Methode in D24 durch Intel Corp. Korrelationsstudien zwischen SET2DIL und 4 Port VNA 18

19 Auszug aus IPC- TM Vergleich der vier verschiedenen Testmethoden Polar Instruments

20 SET2DIL Single Ended Transmission Line to differential insertion loss Eine Methode, um die differentielle Einfügedämpfung rechnerisch aus einer unsymmetrischen TDR-Messung zu ermitteln. Benötigt nur ein 2-Kanal-TDR und ist somit auch für Produktionstests geeignet. Test erfolgt auf einem repräsentativen Testcoupon Prüfspitze mit Einhand-Bedienung Polar Instruments

21 Attenuated Loss Measurement System ATLAS nach der SET2DIL Methode Exakte Messung der Übertragungsleitungscharakteristik von Leiterplatten für GHz-Anwendungen Polar Instruments

22 Attenuated Loss Measurement System ATLAS nach der SET2DIL Methode Tektronix DSA8200 und 80E04 Sampling Head als TDR Front End Polar ATLAS Software zur Steuerung des DSA8200 über TCP/IP und zur Verarbeitung der Messergebnisse nach SET2DIL Polar Instruments

23 Polar Atlas Testsystem Referenzmessung vor Test erforderlich Nötig zur Herausrechnung der Kontakierung Nötig als Referenzleitung für SET2DIL Testzeit beträgt 2.8sec / Leitung Ergebnis wird in db/länge angegeben 23

24 Polar Atlas Testsystem Polar Instruments

25 SET2DIL Testcoupons 25

26 Generierung der SET2DIL Testcoupons 26

27 Signaleinspeisung Polar ATLAS Probe Polar Instruments

28 Alternative Signaleinspeisung über GGB Probe 28

29 GGB Kontaktanordnung 29

30 Signaleinspeisung g Absolut kritisch für wiederholbare Messung nach SET2DIL Besondere Sorgfalt durch Benutzer erforderlich für exakte Messungen muss optimaler Signalpfad sichergestellt werden: Kbl Kabel Prüfspitzen Vias Pad-Größe Leiterbahn-Impedanz 30

31 Vielen Dank! Polar Instruments GmbH A-4865 Nussdorf am Attersee Aichereben 16 Tel Fax Polar Instruments