Alles über Testcoupons zur PCB-Impedanzkontrolle: von Entwurf bis Testing

Da die Betriebsgeschwindigkeit von Komponenten zugenommen hat, wird die kontrollierte Impedanz in digitalen, analogen und gemischten Signal-Systemen immer häufiger. Wenn der kontrollierte Impedanzwert für eine Verbindung falsch ist, kann es sehr schwierig sein, dieses Problem während eines In-Circuit-Tests zu identifizieren. Geringfügige Abweichungen führen vielleicht nicht dazu, dass eine Platine ausfällt, aber es kann schwierig sein, eine falsche Impedanz als Ursache eines Testfehlers zu identifizieren, insbesondere wenn keine korrekten Testpunkte und Teststrukturen auf einer Platine platziert wurden, um Impedanztests auf der nackten Platine zu erleichtern.

Da die Impedanz von vielen Parametern abhängt (Leiterbahnengeometrie, Laminatdicke und Dk-Wert des Laminats), werden derzeit die meisten PCBs auf kontrollierte Impedanz getestet. Die Tests werden jedoch normalerweise an einem PCB-Testcoupon durchgeführt, der auf demselben Panel wie die PCB hergestellt wird (normalerweise entlang einer Kante).

Wenn Sie schnell durch Board-Änderungen kommen und zukünftige Designs unterstützen möchten, könnten Sie den Entwurf eines Testcoupons in Erwägung ziehen und ihn für zukünftige Designs griffbereit halten. Darüber hinaus ist es eine große Hilfe, Ihrem Hersteller ausreichende Dokumentationen über Ihre vorgeschlagene Verbindungsgeometrie zur Verfügung zu stellen, um sicherzustellen, dass Ihr Hersteller den richtigen Testcoupon erstellt.

Varianten von Testcoupons

Das Ziel für jeden Testcoupon ist es, den vorgesehenen Stackup Ihrer Platine genau zu erfassen und genaue Interkonnekt-Impedanztests zu ermöglichen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun, und demnach mehrere Varianten von Testcoupons.

Separate Testcoupons

In einem separaten Testcoupon kann der Hersteller etwas Platz am Rand des Panels lassen, um einige Teststrukturen für die Impedanzprüfung zu platzieren. Testcoupons können auch aus einer Anbieterbibliothek ausgewählt, nach Industriestandards entworfen (z.B. D-Coupons des IPC 2221B Anhang A) oder mit Hilfe von Software generiert werden (z.B. der IPC 2221B Gerber Coupon Generator).

Integrierte Testcoupons

Manchmal wird ein Testcoupon direkt in die tatsächliche Leiterplatte integriert, anstatt als separater Abschnitt auf demselben Panel erstellt zu werden. In diesem Fall hat der Testcoupon möglicherweise nicht das typische Aussehen, das man von einem generierten oder vom Anbieter bereitgestellten Testcoupon erwarten würde.

Kella Knack beschreibt die gängigen Teststrukturen, die in einem separaten Testcoupon (wenn Sie ein Hersteller sind) oder direkt auf einem Prototypen-Board (wenn Sie ein Designer sind) enthalten sein sollten, in einem kürzlich erschienenen Artikel.

Teststrukturen direkt auf einer Platine zu platzieren mag zwar wie eine Platzverschwendung erscheinen, aber es unterstützt erheblich den In-Circuit-Test, sowohl während der Prototypenentwicklung als auch während der Serienproduktion. Wenn Sie ungewöhnliche Verbindungsgeometrien entwerfen, müssen Sie die Impedanz bewerten, bevor Sie in großem Maßstab produzieren. Es schadet nicht, eine einzelne Platine mit Ihren Verbindungsdesigns zu entwerfen und diese intern zu testen. Sie zahlen zwar im Voraus für eine Testplatine, aber Sie könnten sich später einen Platinendurchlauf sparen, wenn Sie die benötigten Messungen vor der Produktion erhalten können.

Über die Impedanz hinaus: Mögliche Tests

Interkonnektimpedanz, PDN-Kapazität, Leiterverluste und Laufzeitverzögerung können alle mit den richtigen Teststrukturen gemessen werden. Andere Teststrukturen, die auf einem speziell entworfenen Testcoupon platziert werden, sind nützlich, um die Dielektrizitätskonstante des Substratlaminats zu bestimmen. Sobald man in den Mikrowellen/mmWellen-Bereich kommt, sollten Dinge wie Einfügungsverlust und Hohlraumstrahlung getestet werden, um sicherzustellen, dass analoge Signale auf kontrollierten Impedanzleitungen keine signifikante Degradation erfahren.

Testcoupons können auch thermischen Schocktests, Reflow-Simulationen, Messungen der Glasübergangstemperatur, Messungen des Gleichstromwiderstands der Leiter und alle möglichen anderen Tests, die Sie sich vorstellen können, unterzogen werden. Ein Testcoupon gibt dem Hersteller auch die Möglichkeit, den Herstellungsprozess und die Qualität zu qualifizieren und sicherzustellen, dass Ihre neue Platine den Zuverlässigkeitsstandards entspricht. Die Ergebnisse von Paneelen sollten innerhalb von 5% der Spezifikationswerte liegen.

Innovationen bei hohen Frequenzen

Wenn Sie mit extrem hohen Frequenzen arbeiten und Schichtübergänge vornehmen müssen, einzigartige Materialien verwenden oder mit HDI-Platinen arbeiten, können hohe Frequenzen andere Signalintegritätsprobleme verursachen, die schwer zu lösen sind. Bei Platinen, die im Bereich von 10 GHz und darüber arbeiten, sind alle Punkte, die bei einem Standard-Testcoupon für ein Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem getestet werden, wichtig und sollten auf einem Hochfrequenz-Testcoupon untersucht werden. Es gibt andere wichtige Messungen, die erfasst werden sollten, um die Signalintegrität und niedrige abgestrahlte EMI zu gewährleisten.

Nach einigen vorherigen Artikeln über SI/EMI-Probleme in verschiedenen Hochfrequenz-Analogsystemen habe ich einige Fragen zu den verwendeten Durchkontaktierungstypen auf mmWave-Platinen erhalten, insbesondere ob durchkontaktierte Vias bei diesen Frequenzen verwendet werden sollten. Jon Coonrod hat diesen Punkt und einige wichtige Punkte zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten-Konsistenz in Verbindungen diskutiert. Die richtige Größenbestimmung und das Zurückbohren dieser Vias für den Einsatz bei diesen Frequenzen ist entscheidend, da ein falsch dimensioniertes Via mit einem langen Stummel übermäßige Reflexionen erzeugen kann, die als Einfügungsdämpfung von ~6 dB oder mehr erscheinen.

Mit etwas kluger Planung können Sie alle Ihre wichtigen Mikrowellen/mmWellen-Schaltkreise auf der Oberflächenschicht platzieren und Schichtübergänge vermeiden. Falls Sie doch einen Schichtübergang verwenden müssen oder eine einzigartige Verbindungsstruktur (z.B. substratintegrierte Wellenleiter) testen möchten, sollte dies anhand eines Testcoupons hinsichtlich Impedanz, Einfügedämpfung und Gesamtverlust untersucht werden. Insbesondere können damit Schichtübergänge mit einer Zeitbereichsreflektometrie (TDR)-Messung inspiziert werden. Eine hohe Impedanzinkongruenz zwischen den Abschnitten der Übertragungsleitung und den Via-Strukturen erscheint als Einbruch im Reflektometriesignal, was Ihnen ermöglicht, diese Strukturen für die Verwendung in einer Produktionsreihe zu qualifizieren.

Wenn Sie einen PCB-Testcoupon entwerfen oder Teststrukturen in eine Produktions-PCB einbeziehen müssen, geben Ihnen die Layout- und Analysewerkzeuge in Altium Designer® die Möglichkeit, jede denkbare Teststruktur für einen Testcoupon oder eine fertige Platine zu erstellen. Sie werden in der Lage sein, Ihre Verbindungen und Ihren Stackup so zu gestalten, dass alle wichtigen Leistungsanforderungen erfüllt werden, und Sie werden alle Designfunktionen haben, die Sie benötigen, um Ihre neuen Platinen für die Herstellung vorzubereiten.

Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunterladen und mehr über die branchenführenden Layout-, Simulations- und Produktionsplanungswerkzeuge erfahren. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.