ГОСТ IEC 61189-3-2013. Межгосударственный стандарт. Методы испытаний электрических материалов, печатных плат и других структур межсоединений и печатных узлов. Часть 3. Методы испытаний материалов для структур межсоединений (печатных плат)
10.17 Испытание 3E17: Определение волнового сопротивления продукта методом рефлектометрии временного интервала (РВИ)
10.17.1 Цель
Метод испытаний описывает процедуру измерения волнового сопротивления Z0 конфигураций проводников на несмонтированных печатных платах, предназначенных для использования в линиях связи.
Единственный практически применимый метод точного измерения Z0 - метод рефлектометрии временного интервала (РВИ). В испытании 3E07 в настоящем стандарте описан прогрессивный метод, в котором используют дорогое испытательное оборудование и который предназначен для обученных соответствующим образом инженеров-электроников.
В настоящем методе описан альтернативный метод, более приспособленный для производителей печатных плат, который до сих пор сохраняет необходимую точность. Метод был сравнен с методом 3E07. Корреляция была в пределах повторяемости измерений.
Настоящий метод испытания пригоден и для полосковых, и для микрополосковых линий, но предназначен только для единичных измерений РВИ. В настоящем стандарте методы измерения дифференциального полного сопротивления не описаны.
В методе рефлектометрии временного интервала используют импульсный генератор со ступенчатым выходным сигналом высокой частоты и широкополосный стробоскопический осциллограф. Ступенчатый импульс прикладывают к отобранному проводнику печатной платы (линии связи) и с помощью стробоскопического осциллографа ведут контроль отраженного напряжения. Изменение Z0 приводит к отражению напряжения, которое можно использовать для вычисления полного сопротивления линии связи на любом известном расстоянии от РВИ. Рекомендуется определять среднее значение в выбранной действующей длине.
Использование, недостатки и применимость методологии испытания РВИ подробно описаны в IEC 61188-1-2 раздел 9, с которым необходимо ознакомиться перед проведением измерения полного сопротивления.
10.17.2 Образец для испытаний
a) Образец для испытания должен соответствовать рисунку 35 или может содержать подходящие конфигурации проводников на готовой плате. Необходимо, чтобы длина "линии" была не менее 150 мм. Компоновку, представленную на рисунке 35, можно изменить так, чтобы получить разнообразные полосковые и микрополосковые линии.
b) Образцы для получения одобрения МЭК ЭК определены четко. Если нет специальных требований клиента, образцы не требуют специального предварительного кондиционирования или специальных условий хранения.
c) Некоторые приборы РВИ могут повреждаться электростатическим разрядом. Такое повреждение может быть незаметным и не может иметь явных симптомов; его обнаружение может представлять трудность, а устранение может быть дорогостоящим. Такие повреждения могут приводить к неправильным показаниям приборов. Поэтому при обращении с образцами необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности.
10.17.3 Испытательное оборудование и материалы
Для улучшения повторяемости измерений функционирование контрольно-измерительных приборов необходимо максимально автоматизировать.
Имеются наборы контрольно-измерительных приборов, компьютерного оборудования и программных средств, производящие автоматическую настройку системы на нужный режим и операции калибровки и измерения. Допускается использование ручного оборудования, но при этом увеличивается время настройки, затраты и риск ошибок оператора.
Оборудование РВИ для измерения подходящих стандартных проводников печатных плат на тест-купонах длиной 150 мм должно состоять из генератора ступенчатых импульсов и системы выборочных измерений со следующими минимальными характеристиками.
10.17.3.1 Генератор ступенчатых импульсов
a) Внутреннее сопротивление - 50 Ом, контактное сопротивление - 1%.
b) Максимальное время нарастания, отраженное на входное отверстие прибора для ввода проб, - 200 пс.
c) Минимальная амплитуда ступени при подсоединении к нагрузке - 50 Ом: 200 мВ; минимальная амплитуда ступени при разомкнутой выходной цепи - свыше 400 мВ.
d) Аберрации ступеней импульса: менее 3% - между 10 нс и 35 пс до перехода ступени, в пределах диапазона плюс 10% и минус 5% - от 35 пс до перехода ступени до 500 пс после перехода ступени, и менее 3% - между 500 пс и 10 нс после перехода ступени.
e) Уход напряжения смещения ступени - менее 0,25% амплитуды ступенчатого импульса за один период калибровки.
f) Уход амплитуды ступени - менее 0,25% амплитуды ступенчатого импульса за один период калибровки.
10.17.3.2 Система выборочных измерений
a) Диапазон частот - не менее 1,75 ГГц при измерении испытуемых проводников длиной 150 мм с использованием генератора ступенчатых импульсов 200 пс.
b) Точность горизонтальной временной развертки - не менее 25 пс плюс 0,1% интервала горизонтальной временной шкалы.
c) Горизонтальная разрешающая способность по времени - не менее 25 пс; отображение расстояний - в миллиметрах.
d) Вертикальный интервал напряжений - не менее двух напряжений ступени.
e) Вертикальное отображение коэффициента отражения - в миллиомах, отображение полного сопротивления - в омах.
f) Вертикальная разрешающая способность - не менее 0,1% амплитуды напряжения ступени.
g) Уход измерений - менее 0,1% за один интервал калибровки.
10.17.3.3 Кабели
Всегда следует использовать высокочастотный коаксиальный кабель с низкими потерями, имеющий стабильное полное сопротивление 50 Ом, с точным регулированием. Для минимизации радиационных потерь защита наружного проводника должна представлять собой сплошной экран или двойной экран. Для минимизации поверхностного эффекта и активных высокочастотных потерь в последовательно включенных элементах внутренний проводник должен представлять собой медь, покрытую чистым серебром. Подходят многие типы диэлектрического материала; их выбор должен быть обусловлен необходимостью увеличения стабильности и снижения потерь. Для исключения износа и повреждения при эксплуатации кабельный узел должен иметь прочную конструкцию.
10.17.3.4 Соединители
Должны быть использованы описанные в IEC 60169-15 розетки для печатных плат с прямой установкой и коаксиальные вилки концов кабелей с винтовым соединением (18 ГГц) на 50 Ом, установленные с поверхностным монтажом.
10.17.3.5 Щупы
Щупы для подсоединения к испытуемому проводнику и соответствующей точке заземления должны иметь конструкцию, минимизирующую аберрации и разрывы непрерывности полного сопротивления. При испытаниях печатных плат со стандартным шагом между печатными проводниками, как правило, используются соединители печатных плат с поверхностным монтажом, но предназначенные для печатных плат микрополосковые датчики в сборе способны обеспечивать зазоры, необходимые для разнообразных шагов между сигнальными и земляными проводниками, и зачастую обеспечивают более надежное соединение компонентов при испытаниях.
10.17.4 Метод
Выполнить следующие действия:
10.17.4.1 Калибровка
a) Если проводят ручные измерения, до использования оборудование должно проходить калибровку в соответствии с инструкцией поставщика оборудования. Если при испытании происходят неполадки в соединениях компонентов схемы испытания, отличных от связи между щупом и образцом, необходимо провести повторную калибровку.
b) В системах, управляемых программными средствами, могут предусматриваться циклы самокалибровки.
10.17.4.2 Измерение
На рисунке 18 показан один из вариантов схемы испытания. В некоторых случаях в состав испытательных приборов включают эталонное полное сопротивление.
Рисунок 18 - Вариант схемы испытания
Методика работы зависит от выбранного оборудования, при этом необходимо строго соблюдать инструкции поставщиков оборудования. Невозможно дать подробное описание общего метода испытания.
Общие требования к обращению с оборудованием и образцами даны в перечислении c) 10.17.2.
10.17.4.3 Расчет
a) Параметр Z0 испытуемой конфигурации проводников зависит от среднего испытательного напряжения в неискаженном интервале испытуемой линии, показанной на рисунках 19 и 20.
b) Z0 = Zref(Vinc + Vline - Vref)/(Vinc - Vline + Vref),
где Zref - волновое сопротивление эталонного полного сопротивления. В нормальных условиях оно составляет 50 Ом;
Vline - измеренное среднее напряжение на неискаженном участке испытуемой линии;
Vinc - напряжение фронта падающей волны.
Рисунок 19 - Неискаженный интервал
Рисунок 20 - Пример формы испытательного сигнала
Напряжение получается при отсоединении кабеля от эталонного полного сопротивления и последующей его заменой на щуп к выводу соединителя в соответствии с описанным. Результирующая форма сигнала дает возможность измерять амплитуду ступени напряжения между двумя видами соединения. Как показано на рисунке 21, диапазон времени этого измерения начинается с начала эталонного полного сопротивления и длится в течение двух задержек времени эталонного полного сопротивления. Амплитуда напряжения, или Vinc - это разница напряжений при двух видах оконечного соединения.
c) Вышеописанный расчет может выполняться автоматизированными системами с выдачей результатов в визуальной или печатной форме в виде таблицы или графика.
Рисунок 21 - Напряжение падающей волны, на котором задержка
воздушной линии составляет 2X
10.17.4.4 Требования при обращении с образцом
10.17.4.4.1 Соединение между щупом и образцом
Эксперименты показали, что разбросы измеренного полного сопротивления из-за деформации щупа и соединителя, изменения угла и глубины зависят от конкретного случая и составляют около 0,2%, поэтому ими можно пренебречь. Но разброс прижима щупа способен вызывать значительное изменение высоких и нестабильных показаний. Поэтому при выборе щупов необходимо учитывать эти факторы и факторы, приведенные ниже.
10.17.4.4.2 Перепутывание сигнальных и земляных соединений
При перепутывании сигнальных соединений и земляных соединений получаются крайне неточные результаты. Как правило, погрешность при этом составляет десятки ом, и опытному оператору она сразу заметна. Этот вид погрешности можно устранить путем использования стандартного образца для испытания, показанного на рисунке 22.
Примечание 1 - Разделение диэлектриком воспроизводят структуры полного сопротивления на печатной плате.
Примечание 2 - Чтобы обеспечить доступ к испытуемым проводникам внутренних слоев, отверстия для соединений при испытании должны представлять собой отверстия со сквозной металлизацией.
Примечание 3 - Квадратные контактные площадки обозначают соединения металлизированных отверстий для обеспечения доступа ко всем базовым плоскостям заземления/питания.
Примечание 4 - Ширины проводников воспроизводят критические проводники на каждом слое полного сопротивления.
Примечание 5 - При необходимости добавить межслойные отверстия.
Примечание 6 - При необходимости к внешним слоям добавить координатную сетку.
Примечание 7 - Два купона на каждую панель. Купоны должны иметь маркировку A + B.
Примечание 8 - Необходимо добавить номер заказа и код даты в соответствии с требованиями клиента.
Рисунок 22 - Сведения об образце для испытания
10.17.5 Заземление земляной шины/шины питания полосковой линии
Базовая плоскость для одинарной или двойной полосковой конфигурации должна представлять собой плоскость, наиболее близкую к испытуемому(ым) проводнику(ам). Выбор других плоскостей на печатной плате приведет к разбросу результатов. Рекомендуется все соединения заземления на тест-купоне присоединять к земляной шине.
10.17.6 Влияние непредусмотренного контактирования с тест-купоном
a) В случае микрополосковой структуры контактирование пальцев оператора с поверхностью тест-купона может привести к значительному разбросу измеренного полного сопротивления.
b) Этот разрыв непрерывности полного сопротивления может быть четко виден в виде протоколливого провала отображаемого полного сопротивления. Контактирование пальцев приводит к локальному увеличению емкостной нагрузки. Это приводит к соответствующему локальному снижению величины полного сопротивления.
c) Аналогично, если при испытании оператор касается контрольной точки, происходит большой разброс полного сопротивления структур для измерения полного сопротивления. Микрополосковые структуры более подвержены такому разбросу, чем полосковые линии.
d) Полное сопротивление микрополосковой структуры с проводниками на нижней внешней поверхности образца печатной платы может зависеть от диэлектрических свойств материала, на котором расположены эти проводники. Для устранения этой зависимости рекомендуется использовать подходящие крепежные приспособления, которые обеспечивают устойчивость положения измерительных электронных устройств.
Сложное оборудование может повреждаться электростатическим разрядом, поэтому оператор обязан использовать подходящие коврики. Но если оборудование позволяет, предпочтительно, чтобы образец висел в воздухе.
10.17.7 Разброс температуры окружающей среды
В случае, если образец изготовлен с использованием подложки из стеклоэпоксида, разброс температуры окружающей среды в 5 °C приводит к разбросу результатов порядка 0,6%.
10.17.8 Протокол
Протокол должен содержать:
a) номер испытания и индекс издания;
b) идентификационную информацию и описание образца(ов);
c) количество испытанных образцов;
d) идентификационную информацию испытательного оборудования;
e) информацию о калибровке;
f) любое отклонение от настоящего метода испытаний;
g) информацию о специалисте, проводившем испытание;
h) результаты испытания в омах.
Результаты можно оформлять в виде таблиц или графиков, при этом значения полного сопротивления должны быть указаны четко и для каждого испытания отдельно.
10.17.9 Дополнительная информация
a) В сложных ручных системах РВИ используют сложные процедуры настройки, и они требуют высокой квалификации оператора. Такие системы дают отличные результаты, но при высоких затратах. Но эти высокие затраты обусловлены высокими общими возможностями контрольно-измерительных приборов. Во многих случаях затраты на измерение волнового сопротивления могут считаться всего лишь небольшой долей затрат на высококачественное оборудование. По этой причине их используют специальные лаборатории и производители.
b) В продаже имеются менее дорогостоящие системы, характеристик которых достаточно для измерения полного сопротивления на печатных платах. Хотя в таких случаях требования к квалификации оператора более низки, необходимо учитывать ограничения, характерные для данного оборудования. Такие системы допускается применять для контроля технологических процессов и процедур разрешения на выпуск серий продукции.
c) Целевая неопределенность метода измерений, описанного в настоящем разделе, при соблюдении требований настоящего метода испытания составляет 1,5%.
Подписаться на обновления