1、认识PCB板内阻抗及板内阻抗测试的必要性
PCB板内阻抗指成品PCB板内线路的真实阻抗，与传统的阻抗条(coupon）的概念不同。
由于印制线路板在生产的过程中受到诸多生产设备及实际生产环境的影响会导致板内阻抗线与coupon阻抗线存在着偏差。
而对于高端PCB来说，对这种偏差的控制要求越来越高。因此，PCB生产厂家对于出货前的成品PCB线路板进行真实的板内阻抗测试就很有必要。
图1 板内阻抗与Coupon示意图
2、 板内阻抗与Coupon存在的差异与问题
2.1 板内阻抗线与Coupon走线物理上的差别
图2 板内阻抗与Coupon
从图2举例PCB板我们可以看到Coupon与真实板内阻抗线之间的差别：
（1）虽然走线间距、走线宽度是一致的，但是Coupon测试点的间距固定为2.54mm(为满足测试探针间距)，而板内真实走线的末端(即金手指)间距是可变的，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现，一些芯片的引脚间距都远小于2.54mm(即Coupon测试点的间距)间距。
（2）Coupon走线是理想的直线，而板内真实走线往往是弯曲的、多样的。PCB设计人员和生产人员很容易将Coupon的走线理想化，但是PCB板上的真实走线则会因为各种各样的因素导致走线不规则化。
(3) Coupon和板内真实走线在整个PCB板上的位置不同。Coupon都位于PCB板中间或边沿，在PCB板出厂时往往会被PCB生产厂家去掉。而板内真实走线的位置则是多样的，有的在靠近板子的边沿，有的位于板子的中央等。
（4）板内阻抗走线周围一般分布着过孔、焊盘、屏蔽层等，而Coupon走线周围环境都比较单一。
由此可见，板内阻抗线与Coupon走线存在着差异，其差异也带来了阻抗测试值的差异。
2.2 阻抗测试值的影响
(1) Coupon测试点间距Coupon走线的间距不同，会导致测试点与走线之间带来阻抗不连续。而PCB板内的真实差分走线末端(即芯片的引脚)间距往往是与走线间距相等或者非常相近的。由此会带来阻抗测试结果的不同。
(2) 弯曲的走线与理想的走线所反映出来的阻抗变化是不一致的。在走线弯曲转折的地方特征阻抗往往是不连续的，而Coupon的理想化走线则不能反映由于走线弯曲所带来的阻抗不连续现象。
(3) Coupon与真实的走线在PCB板上的位置不同。目前的PCB板都采用多层走线的设计，在生产时需要经过压制。当PCB板压制时，板子不同的位置所受到的压力不可能做到一致，不同位置的介质层厚度有差异,这样制成的PCB板在不同的位置上介电常数往往不相同，特征阻抗也当然不同。
(4) 板内阻抗受其周围的过孔、焊盘、屏蔽层等影响反映出来的阻抗是不连续的，而Coupon因走线环境单一，不能反映阻抗真实变化情况。
可见Coupon反映的阻抗值是不能完全反映PCB板内真实走线的真实特征阻抗的。
2.3 测试对比
2.3.1 测试环境
A.测试环境温度：23℃
B.湿度：55%RH
C.测试板图片：
图3 测试样板
2.3.2 测试波形对比
图4 Coupon测试波形 图5 板内测试波形
2.3.3 测试数据对比
|
|
项目 |
Coupon |
板内 |
1 |
测试值 |
119.19 |
114.6 |
2 |
119.17 |
115.31 |
|
3 |
119.30 |
115.24 |
|
4 |
119.27 |
114.71 |
|
5 |
119.26 |
114.41 |
|
6 |
平均值 |
119.238 |
114.854 |
7 |
偏差 |
4.384 |
|
表1 Coupon与板内阻抗测试数值对比
从图4、图5以及表1数据来看，板内阻抗与Copon阻抗波形虽然差异不大，但测试数值却存在偏差，偏差数值的大小因测试板的不同而不同。
3、板内阻抗测试的难点
（1）难以找到差分TDR探头的接地点，高速PCB设计人员不会在设计高速差分走线时在走线的末端(即芯片引脚)附近放置固定间距的接地点。
（2）差分走线的末端(即芯片的引脚或金手指或焊盘)间距是多变的，必须要一个间距可调的差分探头来实现探测。
4、板内阻抗测试技术
4.1 TDR的基本原理
阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲。同时接收模块采集反射信号的时域波形。如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离， 根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。
图3 TDR原理示意图
4.2 常用阻抗模型
图4 奇模和偶模阻抗
图5 差分和共模阻抗
对于比较常见的差分阻抗来说，测试中只需要2个幅度相同、方向相反的阶跃信号即可，不需要接地，其采用的是虚拟接地，支持这种板内差分阻抗测试的阻抗机型有泰克、安捷伦和爱思达。其它类型阻抗必须接地。
4.3 虚拟地的原理
由于差分走线和差分信号是平衡的,差分信号的中心电压点和地平面是等电势的,因此在使用差分阶跃信号进行差分TDR测试时,只要保证探针A和探针B共地,即无需与DUT之间接地。
图6 虚拟地原理
需要注意的是:探针A和探针B必须要共地，如下图是可调探头的共地图。
图7 泰克、安捷伦、爱思达可调共地探头
由图7可知，探针A和探针B需要完好共地，如果共地不良或共地连接线断掉都不能进行测试，测试前必须认真检查共地是否良好。
4.3注意事项
4.3.1 所选用的特性阻抗测试仪必须支持板内阻抗测试功能。
4.3.2 需配备可调探头，可调间距一般要求在0.5～3mm之间，可满足不同测试点的需求。
4.3.3 差分测试前必须检测信号针是否良好共地。
4.3.4 间距过小的测试过程中探针与测试点必须稳定接触
5、小结
通过以上论述和测试对比，概括如下：
（1）Coupon与板内阻抗测试值存在偏差，这种偏差主要由阻抗线的走线环境、位置及PCB制板的工艺有关。
（2）随着阻抗控制精度要求的提高，越来越多的客户要求进行板内阻抗测试，这是阻抗测试发展的需求。
（3）板内差分阻抗测试采用虚拟地原理，有效避免了测试中寻找接地点，2个信号针就可以完成差分阻抗测试。
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