杭州PCB抄板公司-緯亞電子：抽象又復雜的數位高速邏輯原理，與傳輸線(xiàn)中方波訊號的如何傳送， 以及如何確保其訊號完整性（Signal Integrity），降低其雜訊（Noise）減少之誤動(dòng)作等專(zhuān)業(yè)表達，若能以簡(jiǎn)單的生活實(shí)例加以說(shuō)明，而非動(dòng)則搬來(lái)一堆數學(xué)公式與難懂的物理語(yǔ)言者，則對新手或隔行者之啟迪與造福，實(shí)有事半功倍舉重若輕之受用也。

　　然而，眾多本科專(zhuān)業(yè)者，甚至杏壇為師的博士教授們，不知是否尚未真正進(jìn)入情況不知其所以然？亦或是刻意賣(mài)弄所知以懾服受教者則不得而知，或是二者心態(tài)兼有之！坊間大量書(shū)籍期刊文章，多半也都言不及義缺圖少例，確實(shí)讓人霧里看花，看懂了反倒奇怪呢！

　　筆者近來(lái)獲得一份有關(guān)阻抗控制的簡(jiǎn)報資料，系電性測試之專(zhuān)業(yè)日商HIOKI所提供。其內容堪稱(chēng)文要圖簡(jiǎn)一看就懂，令人愛(ài)不釋手。正是筆者長(cháng)久以來(lái)所追求的境界，大喜之下乃征得原著(zhù)“問(wèn)港建”公司的同意，并經(jīng)由港建公司廖豐瑩副總的大力協(xié)助，以及原作者山崎浩（Hiroshi Yamazaki）及其上司金井敏彥（Toshihiko Kanai）等解惑下，得以完成此文，在此一并感謝。并歡迎所有前輩先進(jìn)們，多多慨賜類(lèi)似資料嘉惠學(xué)子讀者，則功在業(yè)界善莫大焉。

　　一 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花

　　1.1 數位系統之多層板訊號線(xiàn)（Signal Line）中，當出現方波訊號的傳輸時(shí)，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標區時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得心應手的小小成就？

　　1.2 然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠，不但騰空越過(guò)目標浪費水資源，甚至還可能因強力水壓無(wú)處宣泄，以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿(mǎn)臉豆花呢！

　　1.3 反之，當握處之擠壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結果。過(guò)猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

　　1.4 上述簡(jiǎn)單的生活細節，正可用以說(shuō)明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線(xiàn)（Transmission Line，系由訊號線(xiàn)、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線(xiàn)（常見(jiàn)者有同軸電纜Coaxial Cable，與微帶線(xiàn)Microstrip Line或帶線(xiàn)Strip Line等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般（是五種終端技術(shù)之一，請另見(jiàn)TPCA會(huì )刊13期“內嵌式電阻器之發(fā)展”一文之詳細說(shuō)明），可用以調節其終點(diǎn)的特性阻抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件內部的需求。

　　二. 傳輸線(xiàn)之終端控管技術(shù)（Termination）

　　2.1 由上可知當“訊號”在傳輸線(xiàn)中飛馳旅行而到達終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時(shí)，則該訊號線(xiàn)本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是正確執行指令，減少雜訊干擾，避免錯誤動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會(huì )有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

　　2.2 當傳輸線(xiàn)本身的特性阻抗（Z0）被設計者訂定為28ohm時(shí)，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm，如此才能協(xié)助傳輸線(xiàn)對Z0的保持，使整體得以穩定在28 ohm的設計數值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會(huì )具效率，其“訊號完整性”（Signal Integrity，為訊號品質(zhì)之專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)）也才好。杭州PCB|杭州smt

　　三.特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　3.1 當某訊號方波，在傳輸線(xiàn)組合體的訊號線(xiàn)中，以高準位（High Level）的正壓訊號向前推進(jìn)時(shí)，則距其近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場(chǎng)所感應出來(lái)的負壓訊號伴隨前行（等于正壓訊號反向的回歸路徑Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統。該“訊號”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以?xún)鼋Y，即可想象其所遭受到來(lái)自訊號線(xiàn)、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance），此即所謂的“特性阻抗”。

　　是故該“特性阻抗”應與訊號線(xiàn)之線(xiàn)寬（w）、線(xiàn)厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數（Dk）都扯上了關(guān)系。此種傳輸線(xiàn)之一的微帶線(xiàn)其圖示與計算公式如下： 【筆者注】Dk（Dielectric Constant）之正確譯詞應為介質(zhì)常數，原文中之...r其實(shí)應稱(chēng)做“相對容電率”（Relative Permitivity ）才對。后者是從平行金屬板電容器的立場(chǎng)看事情。由于其更接近事實(shí)，因而近年來(lái)許多重要規范（如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141與IEC-326）等都已改稱(chēng)為... r了。且原圖中的E并不正確，應為希臘字母 （Episolon）才對。

　　3.2 阻抗匹配不良的后果

　　由于高頻訊號的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長(cháng)，故一般均簡(jiǎn)稱(chēng)之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線(xiàn)（并非傳輸線(xiàn)）中，所出現的阻抗值（Z）并不完全相同。數位系統當整條傳輸線(xiàn)的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內（±10﹪或 ±5﹪）者，此品質(zhì)良好的傳輸線(xiàn)，將可使得雜訊減少而誤動(dòng)作也可避免?！　〉斏鲜鑫Ь€(xiàn)中Z0的四種變數（w、t、h、 r）有任一項發(fā)生異常，例如圖中的訊號線(xiàn)出現缺口時(shí)，將使得原來(lái)的Z0突然上升（見(jiàn)上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)），而無(wú)法繼續維持應有的穩定均勻（Continuous）時(shí)，則其訊號的能量必然會(huì )發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)法避免雜訊及誤動(dòng)作了。下圖中的軟管突然被山崎的兒子踩住，造成軟管兩端都出現異常，正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題。

　　3.3 阻抗匹配不良造成雜訊

　　上述部分訊號能量的反彈，將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波訊號，立即出現異常的變形（即發(fā)生高準位向上的Overshoot，與低準位向下的Undershoot，以及二者后續的Ringing；詳細內容另見(jiàn)TPCA會(huì )刊13期“嵌入式電容器”之內文）。此等高頻雜訊嚴重時(shí)還會(huì )引發(fā)誤動(dòng)作，而且當時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯。

　　四. 特性阻抗的測試

　　4.1 采TDR的量測

　　由上述可知整體傳輸線(xiàn)中的特性阻抗值，不但須保持均勻性，而且還要使其數值落在設計者的要求的公差范圍內。其一般性的量測方法，就是使用“時(shí)域反射儀”（Time Domain Reflectometry；TDR ）。此TDR可產(chǎn)生一種梯階波（StepPulse或Step Wave），并使之送入待測的傳輸線(xiàn)中而成為入射波（Incident Wave）。于是當其訊號線(xiàn)在線(xiàn)寬上發(fā)生寬窄的變化時(shí)，則螢光幕上也會(huì )出現Z0歐姆值的上下起伏振蕩。

　　4.2 低頻無(wú)須量測Z0，高速才會(huì )用到TDR

　　當訊號方波的波長(cháng)（λ讀音Lambda）遠超過(guò)板面線(xiàn)路之長(cháng)度時(shí)，則無(wú)需考慮到反射與阻抗控制等高速領(lǐng)域中的麻煩問(wèn)題。例如早期1989年速度不快的CPU，其時(shí)脈速率僅10MHz而已，當然不會(huì )發(fā)生各種訊號傳輸的復雜問(wèn)題。然而，目前的Pentium Ⅳ其內頻卻已高達1.7GHz自然就會(huì )問(wèn)題叢生，相較當年之巨大差異，豈僅是霄壤云泥而已！ 由波動(dòng)公式可知上述當年10MHz方波之波長(cháng)為： 　　但當DRAM晶片組的時(shí)脈速率已躍升到800MHz，其方波之波長(cháng)亦將縮短到37.5cm；而P-4 CPU之速度更高達1.7GHz其波長(cháng)更短到17.6cm，則其PCB母板上兩者之間傳輸的外頻，也將加速到400MHz與波長(cháng)75cm之境界?？芍说确庋b載板（Substrate）中的線(xiàn)長(cháng)，甚至母板上的的線(xiàn)長(cháng)等，均已*近到了訊號的波長(cháng)，當然就必須要重視傳輸線(xiàn)效應，也必須要用到TDR的測量了。

　　4.3 TDR由來(lái)已久

　　利用時(shí)域反射儀量測傳輸線(xiàn)的特性阻抗（Z０）值，此舉并非新興事物。早年即曾用以監視海底電纜（Submarine Cable）的安全，隨時(shí)注意其是否發(fā)生傳輸品質(zhì)上的“不連續（Disconnection）的問(wèn)題。目前才逐漸使用于高速電腦領(lǐng)域與高頻通訊范疇中。

　　4.4 CPU載板的TDR測試

　　主動(dòng)元件之封裝（Packaging）技術(shù)近年來(lái)不斷全面翻新加速進(jìn)步，70年代的C-DIP與P-DIP雙排腳的插孔焊裝（PTH），目前幾已絕跡。80年金屬腳架（Lead Frame）的QFP（四邊伸腳）或PLCC（四邊勾腳）者，亦漸從HDI板類(lèi)或手執機種中迅速減少。代之而起的是有機板材的底面格列（Area Array）球腳式的BGA或CSP，或無(wú)腳的LGA。甚至連晶片（Chip）對載板（Substract）的彼此互連（Interconnection），也從打金線(xiàn)（Wire Bond）進(jìn)步到路徑更短更直接的“覆晶”（Flip Chip; FC）技術(shù)，整體電子工業(yè)沖鋒之快幾乎已到了瞬息萬(wàn)變！

　　Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 Hi Tester”，為了對1.7GHz高速傳輸FC/PGA載板在Z0方面的正確量測起見(jiàn)，已不再使用飛針式（Flying probe）快速移動(dòng)的觸測，也放棄了SMA探棒式的TDR手動(dòng)觸測（Press-type）的做法。而改采固定式高頻短距連纜，與固定式高頻測針的精準定位，而在自動(dòng)移距及接觸列待測之落點(diǎn)處，進(jìn)行全無(wú)人為因素干擾的高精密度自動(dòng)測試。

　　在CCD攝影鏡頭監視平臺的XY位移，及Laser高低感知器督察Z方向的落差落點(diǎn)，此等雙重精確定位與找點(diǎn)，再加上可旋轉式接觸式測針之協(xié)同合作下，得以避免再使用傳統纜線(xiàn)、連接器、與開(kāi)關(guān)等仲介的麻煩，大幅減少TDR量測的誤差。如此已使得“1109HiTESTER”在封裝載板上對Z0的量測，遠比其他方法更為精確。
　　實(shí)際上其測頭組合，是采用一種四方向的探針組（每個(gè)方向分別又有1個(gè)Signal及2個(gè)Gnd）。在CCD一面監視一面進(jìn)行量測下，其數據當然就會(huì )更為準確。且溫度變化所帶來(lái)的任何誤差，也可在標準值陶瓷卡板的自動(dòng)校正下減到低。

　　4.5 精確俐落大小咸宜

　　此款新上市的1109，不但能對高階封裝載板的CPU進(jìn)行Z0量測，且對其余的高價(jià)位CSP、BGA、FC等，也都能在游刃有余下完成逐一精測。其之待測尺寸更可從10mm×10mm的微小，一躍而至到500mm×600mm的巨大，劇變情勢下均能應對裕如令人激賞。未來(lái)業(yè)界也許還要對Coupon以外的實(shí)際訊號線(xiàn)要求量測Z0，此高難度的TDR技術(shù)，目前亦正在研發(fā)中.

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