一、引言

为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的几百Mbps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、XAUI/2XAUI、XFI的几个Gbps乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB客户对差分走线的阻抗控制要求越来越高。这使PCB生产商以及高速PCB设计人员所面临的前所未有的挑战。本文结合PCB行业公认的测试标准IPCTM-650手册，重点讨论真差分TDR测试方法的原理以及特点。

二、IPC-TM-650手册以及PCB特征阻抗测试背景

IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。其中PCB板电气特性要求在第2.5节中描述，而其中的2.5.5.7a,则全面的介绍了PCB特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走线的阻抗测试。

三、TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求

3.1 TDR的基本原理

图1是一个阶跃信号在传输线(如PCB的走线)上传输时的示意图。而传输线是通过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此，传输线在此位置上是有对地的电流回路的，因此就有阻抗的存在。但是该阻抗只有阶跃信号自身才能“感觉到”，这就是我们所说的特征阻抗。

当传输线上出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化的地方阶跃信号就会产生反射的现象，如果将反射信号进行取样并显示在示波器的屏幕上，就会得出如图2所示的波形，从波形中我们可以看出一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化。同时我们可以比较图2中的两个波形。这是使用两台分辨率不同的TDR设备在测试同一条传输线时获得的测试结果。对于传输线阻抗变化的反映一个明显而另一个不明显。TDR设备感知传输线阻抗不连续的分辨率取决于TDR设备所发出的阶跃信号上升时间的快慢，上升时间快所获得的分辨率就高。而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽紧密相关，带宽高的测试系统有更快的上升时间。

从另外一个角度来考虑，TDR设备的系统带宽限制了TDR测试的分辨率。在IPC-TM-650测试手册中对TDR设备的上升时间是按照系统上升时间(tsys)来定义的。当我们要测量一台TDR设备的系统上升时间时，我们可以短路一台TDR设备的输出，此时可以测出该TDR设备的(tsys)(上升时间以及下降时间)。例如图3的TDR设备的系统上升时间就高达28ps左右。

Resolution= (tsys*V)/2，V为电信号在被测试传输线上的传输速率。

为了方便测试者了解TDR测试的分辨率以及PCB板走线的最小测试长度，在IPC-TM-650测试手册的表4-1(图5)中给出了速查数据。

3.2 IPC-TM-650手册对差分TDR设备的基本要求

IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。在以往的IPC-TM-650手册中，对PCB差分TDR测试的要求较为宽松。手册中允许测试者根据TDR测试设备的情况使用两种不同的方法。

方法一：当测试者拥有差分TDR测试设备时，测试设备同时打出两个幅度相等、方向相反的阶跃脉冲，并通过这对差分信号的相互作用直接测出差分走线的阻抗。

方法二：当测试者没有差分TDR测试设备时，测试设备在差分走线(A线与B线)时，先在A线上打出阶跃信号，测试A阶跃信号在A线上的反射特性记作AA，同时测出A阶跃信号在B线上的感应信号，记录为BA。随后，在B线上打出阶跃信号，测试B阶跃信号在B线上的反射特性记作BB，同时测出B阶跃信号在A线上的感应信号，记录为AB。通过对获得的AA、AB、BB、BA四个数值进行计算可以得出差分走线的阻抗。该方法又叫做“Super-Position”。

但是在(2004年3月版)IPC-TM-650手册中，仅仅保留了方法一中的真差分TDR测试描述。而不再有方法二的“伪差分”TDR测试方法的描述。

2.1.印制电路板

印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）在电子设备中是电子元器件的载体，提供机械支撑和电气连接，并保证电子产品的电气、热和机械性能的可靠性。为自动焊锡提供阻焊图形，为电子元器件安装、检查、维修提供识别字符和图形。

PCB板由焊盘、导线、丝印、绝缘漆、定位孔、导通孔、贯穿孔等要素构成：

（1）焊盘：焊盘是电路板上用来焊接元器件或引线的铜箔,经过回焊炉将锡膏熔解或过波峰焊后对零件进行固定；

（2）导线：用于连接电路板上各种元件的引脚，完成各个元件之间电信号的连接；

（3）丝印：也即白油，文字印刷标明零件的名称、位置、方向。PCB上有产品型号、版本、厂商标志和生产批号等；

（4）绝缘漆：绝缘漆作用是绝缘、阻焊、防止PCB板面被污染，黄油和绿油偏多；

（5）导通孔：PCB上充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接，又称VIA孔；

（6）贯通孔：用于插装通孔元器件；

（7）定位孔：用于将PCB固定在电子设备中。

2.2 PCB的分类

PCB按印刷版电路层数可分为单面板、双面板、多层板；按基板材质分有刚性PCB、柔性PCB(挠性板)、刚柔结合PCB(刚挠结合板)等。与此同时，印制板继续朝着高精度、高密度和高可靠性方向发展，体积不断缩小，、成本不断减轻，而性能却不断提高，使得印制板在未来电子设备地生产过程中，仍然保持着强大的生命力。

2.3 PCB的基板材料

覆铜板（Copper Clad Laminates，简称 CCL）是PCB的基材，它是用增强材料，浸以树脂胶黏剂，通过烘干、裁剪、叠合成坯料，然后覆上铜箔，用钢板作为模具，在热压机中经高温高压成形加工而制成的。一般用来制作多层板的半固化片，是覆铜板在制作过程中的半成品，多为玻璃布浸以树脂，经干燥加工而成。

PCB基板材料，可分为纸基、玻璃布基、复合材料基(Composite Epoxy Material，简称CEM)、特殊材料基(陶瓷、金属芯基等)四大类，如表2-1所示。

按基板所采用的树脂胶黏剂不同进行分类，常见的纸基CCL有：酚醛树脂(XPc、XxxPC、FR-1、FR-2等)、环氧树脂(FR-3)、聚酯树脂等各种类型。常见的玻璃纤维布基CCL有环氧树脂(FR24、FR-5)，它是目前使用最广泛的玻璃纤维布基类型。另外， 还有其他特殊性树脂，如双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)、聚酰亚胺树脂(PI)、二亚苯基醚树脂(PPO)、马来酸酐亚胺—苯乙烯树脂(MS)、聚氰酸酯树脂、聚烯烃树脂等。

2.4贴片元器件（SMC/SMD）

2.4.1 SMC/SMD的封装

封装（Package）就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。

1．标准封装

（1）无源片式元件（CHIP）

长方形无源器件称为“CHIP”片式元器件，它的体积小、重量轻、抗冲击性和抗震性好、寄生损耗小，被广泛应用于各类电子产品中。主要用于电阻、电容、电感等元件，主要特点是没有突出的引脚。

无源片式元件用两种尺寸代码来表示。一种尺寸代码是由4位数字表示的EIA(美国电子工业协会)代码，前两位与后两位分别表示电阻的长与宽，以英寸为单位。我们常说的0603封装就是指英制代码。另一种是米制代码，也由4位数字表示，其单位为毫米。英制的1005，0201、0402、0603、0805、1206片状元件，相当于公制的0402、0603、1005、1608、2012、3216（mm）元件，通常使用的都是英制标注，下表列出贴片电阻封装英制和公制的关系及详细的尺。

（2）柱状封装元件（MELF）

主要用于二极管、电阻、电感、陶瓷或钽电容等。焊接端头为圆柱体金属成份，如银、金或钯银合金等，易滚动，如图2-10。

（3）小外形晶体管（SOT，Small Outline Transistor ）

主要用于二极管、三极管、达林顿管等。引出端特点是分列于元器件对称的两端，引脚为“一”和“L”形，基本分为对称与不对称两类，有以下几个系列SOT23、SOT89、SOT223等。

（4）小外形封装(SOP, Small Outline Package)

SOP封装主要用于中小规模集成电路。引出端特点是对称分列于元器件的两边，引脚形态基本分为“L”与“鸥翼”（Gullwing）、“J”、“I”等四类，如图2-12。SOP封装技术由1968～1969年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。

（5）四周扁平封装（QFP）

多用于各类型的集成电路，引脚形态基本上分为“鸥翼”形，引脚间距从0.3mm至1.0mm多个系列，封体形态为正方形或长方形，封装材料为塑料（PQFP）或陶瓷（CQFP）。

（6）塑封引线芯片载体（PLCC）

PLCC多用于各类型的集成电路，引脚形态为 “J”形，引脚间距1.27mm，封体形态为正方形或长方形、不规则形状，封装材料为塑料，可直接装入芯片插座或焊接。

（7）球栅阵列封装（BGA）

大规模集成电路的BGA封装发展缘由：集成电路的集成度迅速提高，封装尺寸必须缩小。电极采用球形引脚，球形引脚优点:尺寸小利于高密度组装；再流焊时有自校准效应，降低了贴片精度，提高组装可靠性。该类型封装已很多见，多用于大规模、高集成度器件，封装材料为塑料或陶瓷、金属，焊球间距为1.27mm、1.00mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm等，球径随着间距而相应缩小，阵列规格多样，各家标准不一。BGA品种: 陶瓷BGA(CBGA)、塑料BGA(PBGA)、 微型BGA(Micro-BGA、μBGA、CSP)

（8）芯片尺寸封装（CSP）

该类型从形式上类似于BGA，但其定义为封装尺寸不大于芯片尺寸的1/3。有些公司的产品又称为μBGA。焊球间距一般均在1.00mm以下。

（9）倒装芯片（FP）

为目前最为先进的IC形式，应用晶圆片半导体工艺，产生具有规则或不规则凸点阵列，凸点间距在0.8mm以下，凸点直径在0.5mm以下，基本属裸芯片。

2.4.2SMC/SMD的包装

表面贴装元器件的大量应用，是由表面贴装设备高速发展促成的，同时高速度、高密度、自动化的贴装要求，又促使了表面贴装元器包装技术的开发，表面贴装元器件的包装形式已经成为SMT系统中的重要环节，表面组装元器件的包装类型有编带、管装、托盘等。

1.编带包装

编带包装在SMA生产中占有较大比例，常见的有电阻、电容以及各种IC等。带状包装由带盘与编带组成，类似电影拷贝

根据材质不同，有纸编带，塑料编带及黏结式编带，其中纸编带包装与塑料编带的元件，可用同一种带状供料器，而黏结式塑料编带所使用的带状供料器的形式有所不同，但不管哪种材料的包装带，均有相同的结构。

纸编带由基带、底带和带盖组成，其中基带是纸，而底带和盖带则是塑料薄膜。基带上布有小圆孔，又称同步孔，是供带状送料器上棘轮传动时的定位孔，两孔之间的距离称为步距。矩形孔是装载元器件的料糟，用来装载不同尺寸的元件。W指带宽，带宽已有标准化尺寸，有8mm,12mm,16mm,24mm和32mm等。用来装载0603以上尺寸元件的同步孔距均为4mm,而小于0603尺寸的包装带上的同步孔距则为2mm,故定购供料器时应加以区别。

2.管装包装

主要用于SOP、SOJ、PLCC、PLCC插座，以及异形元件等。

3.托盘包装

盘装又称华夫盘包装，它主要用于QFP、SOP等元件。通常这类元件引脚精细，极易碰伤，故采用上下托盘将元件的本体夹紧，并保证左右不能移动，便于运输和贴装。

2.4.3 SMC/SMD的储存与使用

1.存放环境条件：

（1）环境温度：30℃下；

（2）环境湿度：

（3）环境气氛：库房及环境中不得有影响焊接性能的疏、氯、酸等有害气体；

（4）防静电措施：要满足表面组装对防静电的要求。

2.存放周期：

从生产日期起为二年。到用户手中算起一般为一年(南方潮湿环境下3个月以内)。

3. 防潮

塑封元器件均对湿度有不同的敏感度，因而对敏感程度较高的元器件在包装中，除正常的产品标识、合格证外，正规厂家均会在其包装中放置若干物品，如：干燥剂、防潮袋、警示标签、湿度指标卡等，对具有防潮要求的SMD元件，打开封装后一周内或72小时内（根据不同元件的要求而定)必须使用完毕，如果72小时内不能使用完毕，应存放在

4.防静电

操作人员在拿取SMD元件时应带好防静电手环、防静电手套等工具。

2.4.4 BOM的识读

物料清单（Bill of materail，简称 BOM）在电子组装生产中是一种非常重要的文件，是电子产品研发的成果性文件，也是电子企业中各个部门沟通的重要媒介，如采购部门根据BOM可以知道要采购哪些元器件，生产部门根据BOM清楚的知道，线路板的组装过程中每个元器件数量以及安装位置。要清楚生产用料必须学会看BOM，如表2-21所示，阅读BOM主要注意几方面：

1. 要清楚产品型号、版本，如VA-391 V3.2

2. 区分BOM中哪些是SMC/SMD，哪些是THC：

BOM描述中有下列文字或字母之一都是SMT用料 “SMD、0603、0805、1206、Chip、SMT、QFP、PLCC、BGA、SOJ”；

插装件一般有“DIP”字样，但电解电容一般为DIP型，BOM上通常省去“DIP”字样，如：BOM 第31行对电解电容的描述为6.8uF/400V，Φ8*15,105℃,20%。

3.有些零件要看外形才知属SMD还是DIP元件。举例：

（1）描述为chip CAP 0.01μF 50V +80%-20% SMD 0603

表示：该电容是晶片陶瓷电容，容值为0.01μF ,耐压50V，误差为+80%-20%，即容值允许范围: 0.018μF ~0.008μF ，SMD 0603型的；

（2）描述为chip Resister 10 OHM 1/10W 5% 0603

表示：该晶片电阻阻值为10Ω，功率为0.1瓦，误差为±5% 0603规格；

（3）描述为：Chipset Sis6326 H0 208-Pin PQFP

表示：该芯片为SIS公司名称为6326版本为H0，208个脚，PQFP型；

（4）描述为：PCB VA-391 V3.2 16×8.3cm，4-L SS Yellow

表示：该PCB为VA-391，版本为3.2，长×宽×厚为143*112.5*1.6MM,基板材料为,FR-4的双面板。

4.看清楚描述是否有指定零件的厂牌及颜色等。

5.位置是指零件用在PCB板上的位置以及数量。

IPC最新发布的《2016年全球PCB生产报告》显示，2016年全球PCB产值达到582亿美元，实际增长2.2%；北美地区PCB产值下降了0.1%。据《IPC2017年北美地区PCB行业年报》显示，北美市场继续缓慢萎缩，2016年下降了1.7%。

《全球PCB生产报告》显示，全球PCB产值一半以上来自中国，但是台湾企业主导着大部分离岸PCB的生产。印度成为亚洲PCB行业增长最快的国家，并在2016年跃入前十大PCB生产国榜单。

报告中还显示刚性板和挠性板的增长趋势发生了急剧变化。近几年来，刚性板增长减速，2016年仅稍有增长，但是以前增速最快的挠性板突然减速，预计2017年持续缓慢增长。

《全球PCB生产报告》由全球顶尖PCB分析师共同开发而成，数据来源可靠。其内容包括主要PCB生产国/地区的八种产品类别的PCB产值。另外还包括全球和区域PCB行业的历史数据和趋势评述，及BPA咨询公司提供的告诉数据传输报告。

《2017年北美地区PCB行业年度报告》显示军工和航天市场持续增长，占到PCB销售额的三分之一以上，并且在此垂直市场的销售额占比继续增长。

北美PCB报告涵盖可以按PCB产品类型的区域市场规模和增长率，RF和埋入式元器件等技术的应用情况，平均营运收入、产能利用率、库存周转率、备货周期等经营性指标。此报告中的数据来自参加IPC北美PCB统计调研项目的样本公司提交的生产经营数据，参与调研项目的企业数量占到该地区PCB企业的一半以上。