特性阻抗之詮釋與測試 电磁兼容(EMC)小小家下载讨论中心

一. 前言
抽象又複雜的數位高速邏輯原理，與傳輸線中方波訊號的如何傳送，以及如何確保其訊號完整性（SignalIntegrity），降低其雜訊（Noise）減少之誤動作等專業表達，若能以簡單的生活實例加以說明，而非動則搬來一堆數學公式與難懂的物理語言者，則對新手或隔行者之啟迪與造福，實有事半功倍舉重若輕之受用也。
然而，眾多本科專業者，甚至杏壇為師的博士教授們，不知是否尚未真正進入情況不知其所以然？亦或是刻意賣弄所知以懾服受教者則不得而知，或是二者心態兼有之！坊間大量書籍期刊文章，多半也都言不及義缺圖少例，確實讓人霧裡看花，看懂了反倒奇怪呢！
筆者近來獲得一份有關阻抗控制的簡報資料，係電性測試之專業日商HIOKI所提供。其內容堪稱文要圖簡一看就懂，令人愛不釋手。正是筆者長久以來所追求的境界，大喜之下乃徵得原著“問港建”公司的同意，並經由港建公司廖豐瑩副總的大力協助，以及原作者山崎浩（HiroshiYamazaki）及其上司金井敏彥（ToshihikoKanai）等解惑下，得以完成此文，在此一併感謝。並歡迎所有前輩先進們，多多慨賜類似資料嘉惠學子讀者，則功在業界善莫大焉。《http://www.eurekacp.com.tw》
二 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花
2.1數位系統之多層板訊號線（SignalLine）中，當出現方波訊號的傳輸時，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端於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，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？

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

2.3 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。過猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

2.4上述簡單的生活細節，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線（TransmissionLine，係由訊號線、介質層、及接地層三者所共同組成）中所進行的快速傳送。此時可將傳輸線（常見者有同軸電纜CoaxialCable，與微帶線Microstrip Line或帶線StripLine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）元件所並聯到Gnd的電阻器一般（是五種終端技術之一，請另見TPCA會刊第13期“內嵌式電阻器之發展”一文之詳細說明），可用以調節其終點的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元件內部的需求。

三. 傳輸線之終端控管技術（Termination）
3.1由上可知當“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達終點，欲進入接受元件（如CPU或Menomery等大小不同的IC）中工作時，則該訊號線本身所具備的“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，如此才不致任務失敗白忙一場。用術語說就是“正確執行指令，減少雜訊干擾，避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時，則必將會有少許能量回頭朝向“發送端”反彈，進而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

3.2當傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設計者訂定為28ohm時，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm，如此才能協助傳輸線對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，訊號的傳輸才會最具效率，其“訊號完整性”（SignalIntegrity，為訊號品質之專用術語）也才最好。

四.特性阻抗（Characteristic Impedance）
4.1當某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準位（HighLevel）的正壓訊號向前推進時，則距其最近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場所感應出來的負壓訊號伴隨前行（等於正壓訊號反向的回歸路徑ReturnPath），如此將可完成整體性的迴路（Loop）系統。該“訊號”前行中若將其飛行時間暫短加以凍結，即可想像其所遭受到來自訊號線、介質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”應與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質厚度（h）與介質常數（Dk）都扯上了關係。此種傳輸線之一的微帶線其圖示與計算公式如下：

【筆者註】Dk（Dielectric Constant）之正確譯詞應為介質常數，原文中之...r其實應稱做“相對容電率”（RelativePermitivity）才對。後者是從平行金屬板電容器的立場看事情。由於其更接近事實，因而近年來許多重要規範（如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141與IEC-326）等都已改稱為... r了。且原圖中的E並不正確，應為希臘字母 （Episolon）才對。
4.2 阻抗匹配不良的後果
由於高頻訊號的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長，故一般均簡稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（並非傳輸線）中，所出現的阻抗值（Z）並不完全相同。數位系統當整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制在某一範圍內（±10﹪或±5﹪）者，此品質良好的傳輸線，將可使得雜訊減少而誤動作也可避免。
但當上述微帶線中Z0的四種變數（w、t、h、r）有任一項發生異常，例如圖中的訊號線出現缺口時，將使得原來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實），而無法繼續維持應有的穩定均勻（Continuous）時，則其訊號的能量必然會發生部分前進，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。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，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

4.3 阻抗匹配不良造成雜訊
上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質的方波訊號，立即出現異常的變形（即發生高準位向上的Overshoot，與低準位向下的Undershoot，以及二者後續的Ringing；詳細內容另見TPCA會刊第13期“嵌入式電容器”之內文）。此等高頻雜訊嚴重時還會引發誤動作，而且當時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。

五. 特性阻抗的測試
5.1 採TDR的量測
由上述可知整體傳輸線中的特性阻抗值，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範圍內。其一般性的量測方法，就是使用“時域反射儀”（Time Domain Reflectometry；TDR ）。此TDR可產生一種梯階波（Step Pulse或StepWave），並使之送入待測的傳輸線中而成為入射波（IncidentWave）。於是當其訊號線在線寬上發生寬窄的變化時，則螢光幕上也會出現Z0歐姆值的上下起伏振盪。

5.2 低頻無須量測Z0，高速才會用到TDR
當訊號方波的波長（λ讀音Lambda）遠超過板面線路之長度時，則無需考慮到反射與阻抗控制等高速領域中的麻煩問題。例如早期1989年速度不快的CPU，其時脈速率僅10MHz而已，當然不會發生各種訊號傳輸的複雜問題。然而，目前的PentiumⅣ其內頻卻已高達1.7GHz自然就會問題叢生，相較當年之巨大差異，豈僅是霄壤雲泥而已！

由波動公式可知上述當年10MHz方波之波長為：

但當DRAM晶片組的時脈速率已躍升到800MHz，其方波之波長亦將縮短到37.5cm；而P-4CPU之速度更高達1.7GHz其波長更短到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75cm之境界。可知此等封裝載板（Substrate）中的線長，甚至母板上的的線長等，均已逼近到了訊號的波長，當然就必須要重視傳輸線效應，也必須要用到TDR的測量了。

5.3 TDR由來已久
利用時域反射儀量測傳輸線的特性阻抗（Z０）值，此舉並非新興事物。早年即曾用以監視海底電纜（Submarine Cable）的安全，隨時注意其是否發生傳輸品質上的“不連續（Disconnection）的問題。目前才逐漸使用於高速電腦領域與高頻通訊範疇中。

5.4 CPU載板的TDR測試
主動元件之封裝（Packaging）技術近年來不斷全面翻新加速進步，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（LeadFrame）的QFP（四邊伸腳）或PLCC（四邊勾腳）者，亦漸從HDI板類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（AreaArray）球腳式的BGA或CSP，或無腳的LGA。甚至連晶片（Chip）對載板（Substract）的彼此互連（Interconnection），也從打金線（Wire Bond）進步到路徑更短更直接的“覆晶”（Flip Chip;FC）技術，整體電子工業衝鋒之快幾乎已到了瞬息萬變！
Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 HiTester”，為了對1.7GHz高速傳輸FC/PGA載板在Z0方面的正確量測起見，已不再使用飛針式（Flyingprobe）快速移動的觸測，也放棄了SMA探棒式的TDR手動觸測（Press-type）的做法。而改採固定式高頻短距連纜，與固定式高頻測針的精準定位，而在自動移距及接觸列待測之落點處，進行全無人為因素干擾的高精密度自動測試。

在CCD攝影鏡頭監視平台的XY位移，及Laser高低感知器督察Z方向的落差落點，此等雙重精確定位與找點，再加上可旋轉式接觸式測針之協同合作下，得以避免再使用傳統纜線、連接器、與開關等仲介的麻煩，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。

實際上其測頭組合，是採用一種四方向的探針組（每個方向分別又有1個Signal及2個Gnd）。在CCD一面監視一面進行量測下，其數據當然就會更為準確。且溫度變化所帶來的任何誤差，也可在標準值陶瓷卡板的自動校正下減到最低。

5.5 精確俐落大小咸宜
此款最新上市的1109，不但能對最高階封裝載板的CPU進行Z0量測，且對其餘的高價位CSP、BGA、FC等，也都能在遊刃有餘下完成逐一精測。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。未來業界也許還要對Coupon以外的實際訊號線要求量測Z0，此高難度的TDR技術，目前亦正在研發中。