高速連接器去嵌入技術(shù)的應(yīng)用

王 超

(四川華豐企業(yè)集團有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

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

圖1 高速連接器測試鏈路設(shè)備

2 去嵌入技術(shù)原理

一般連接器都屬于無源器件，我們主要是測試產(chǎn)品的S參數(shù)，S參數(shù)的測試主要基于網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，測試指標包括阻抗、插損、回損、串?dāng)_、差模轉(zhuǎn)換、偏斜等，網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率需要超過產(chǎn)品測試頻率。測試板一頭采用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TRL和AFR去嵌。

2.1 TRL去嵌入技術(shù)

TRL是thru-reflect-line的縮寫，顧名思義TRL校準件的類型有三種：thru：直通校準件；reflect：反射校準件；line：延時線校準件。

圖2 校準線原理圖

TRL校準就是一個方程組求解的過程，通過測試直通、反射、延時線，從而去除THRU線的S參數(shù)，保證我們拿到DUT的S參數(shù)。校準原理見圖2，標準校準板見圖3。

圖3 TRL校準板

a.THRU: 直通校準件的設(shè)計如上圖所示。去掉DUT后，將左右兩端的fixture直接相連構(gòu)成直通校準件，直通校準件左右兩邊的fixture需要對稱，且與實際測試網(wǎng)絡(luò)上的fixture設(shè)計保持一致。

b.REFLECT: 反射校準件的設(shè)計如上圖所示：使左端或者右端fixture與被測網(wǎng)絡(luò)連接的地方保持開路(open)或者短路(short)。同樣反射校準件上的fixture部分必須和實際測試網(wǎng)絡(luò)左邊或者右邊f(xié)ixture部分保持一致。開路或短路，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，它可以作為一個未知量通過方程組求解出來。但在網(wǎng)分定義cal kit時需要注明是open還是short校準件。

c.LINE: 延時線校準件的設(shè)計：與直通校準件不同的是它在左右fixture中間插了一定長度的走線，走線的阻抗需要一致。同樣延時線校準件的左右fixture設(shè)計需要和實際測試網(wǎng)絡(luò)左右fixture設(shè)計一致且對稱。這段長度為L的延時線傳播常數(shù)e-γl(損耗和相位)也是不需要知道的，同樣也可以當(dāng)作未知量通過方程組求解得出。

延時線校準件的數(shù)量有可能不止一個，比如下圖所示有不同的四種長度line。這四條line被分割了成不同的頻段來代表延時線校準件。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的校準頻段。分多條line的主要原因是在測試頻段內(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，不然會導(dǎo)致校準結(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長度則需要很長，實際走線很難實現(xiàn)，所以通常用load(負載)校準件代替。如果load在頻段內(nèi)匹配足夠好的話，可以看成是一條無限長的line。

d.load：使左端或者右端fixture(夾具)與被測網(wǎng)絡(luò)連接的地方保證50Ω端接。同樣校準件上的fixture部分必須和實際測試網(wǎng)絡(luò)左邊或者右邊f(xié)ixture部分保持一致。load的設(shè)計一般會采用兩個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，延時線校準件的數(shù)量以及形態(tài)需要根據(jù)測試需求來確定，可能只需要用到load，也有可能需要用到load和幾條line。

校準精度判定：校準完成后可以先對thru進行測量來評估校準結(jié)果是否可用，因為thru去掉PCB走線后應(yīng)該是一個0長度的網(wǎng)絡(luò)，理想情況下整個測試頻段內(nèi)損耗曲線都為0dB.如果在0dB附近波動過大的話則說明校準可能存在問題。

2.2 AFR去嵌入技術(shù)

AFR是Automatic Fixture Removal(自動夾具的拆除)的縮寫，是利用是德科技的PLTS/ADS軟件功能，則可以準確的分離左右的fixture參數(shù)，得到想要的DUT參數(shù)，就像是做一個減法，用被測網(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)。其原理見圖4，夾具見圖5。

圖4 AFR校準原理圖

AFR不需要單獨做校準板，夾具上需做一條2xTHRU的線，走線長度為連接器到SMA的兩倍。連接器到SMA的所有走線都等長(只針對同一塊測試板的走線，兩塊測試板的線長可以不一樣)，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。如果只有一塊測試板，直接使用PLTS軟件，按去嵌向?qū)瓿扇デ叮?如果有兩塊測試板，則需將兩塊板子上的2xTHRU都測試，用軟件將S參數(shù)劈開，各使用一半去嵌。夾具走線左右兩端fixture延時和損耗需要保證一致。AFR相對TRL是非常簡單的校準方法，在頻率不是太高時使用沒問題。不過，AFR在更高頻率段的校準精度還有待驗證。

圖5 AFR夾具

3 常見的SMA接口類型

阻抗50Ω時，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接口類型

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

4 測試夾具(PCB)加工要求

對于高速連接器產(chǎn)品，測試板設(shè)計好壞是一方面，PCB板的加工也至關(guān)重要，設(shè)計完成后，提交gerber文件或者PCB設(shè)計文件(AD格式)給板廠，板廠按文件加工，板廠如果調(diào)整參數(shù)會發(fā)送加工確認函。一般對于高速測試板，我們會規(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、玻纖布類型等參數(shù)；規(guī)定板材類型，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；

i.是否背鉆，背鉆殘留要求。

5 測試夾具驗證

我們的測試板加工完成后，需要關(guān)注下板子以下幾點：

a.測試2xTHRU，看走線阻抗是否平滑，過孔阻抗在要求范圍內(nèi)；插損和回損曲線平滑無明顯較大諧振；

b.測試連接器，看魚眼過孔阻抗是否在要求值；查看差分對內(nèi)延時差是否在要求值；查看串?dāng)_曲線是否異常。

圖7 2xTHRU指標

6 玻纖布對測試結(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，玻璃纖維布對樹脂起著鋼筋的作用，玻璃纖維有著很多的特點，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，能耐強酸、強堿、王水及各種有機溶劑的腐蝕；

d.摩擦系數(shù)低，是無油自潤滑的最佳選擇；

e.透光率達6～13 %；

f.具有高絕緣性能、防紫外線、防靜電；

g.強度高。具有良好的機械特性；

h.耐藥劑性。

所有這些特點在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)展而進步。

圖8 常見玻纖布類型

對于信號速率越來越高的情況，玻纖布的編織方式對信號完整性影響也非常的大，尤其是對于差分對信號線，其問題的根本原因在于玻纖效應(yīng)會引起對內(nèi)偏斜(Skew)。

圖9 玻纖布上的差分走線

圖10 SKEW對信號性能影響

減小玻纖布的方法：需要注意的是，玻纖效應(yīng)對于高速長走線影響最大，低速系統(tǒng)或者很短的走線可以不考慮。關(guān)于對策，主要是材料選擇、設(shè)計規(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。也就是大家說的扁平玻璃布，開纖布(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)較厚本來就需要多張PP疊加，否則，個人認為不如第一種。一來是成本、二來玻纖布超過三張制造時容易滑片。

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。也就是常說的高速板材，成本高。

6.2 設(shè)計規(guī)避

a.重要信號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.重要信號旋轉(zhuǎn)角度布局，增加了設(shè)計難度。

c.正常設(shè)計之后，拼板時旋轉(zhuǎn)10°拼板。

6.3 生產(chǎn)規(guī)避

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

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

7 結(jié)束語

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，對于連接器廠家而言及其重要。目前，部分廠商測試采用不去嵌方式，判斷方法為連接器加測試夾具，但這對測試夾具的損耗等要求更高，測試板性能差會極大的干擾測試結(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試夾具滿足要求，所以對于測試夾具的制作加工精度要求較高。去嵌入技術(shù)已經(jīng)是高速連接器測試中必不可少的一環(huán)。