高頻治具設計的現況與未來

Allion Labs / Paul Chou

隨著科技的日新月異,高速影音資料傳輸的需求也不斷進化,例如 HDMI 的規範從 HDMI 2.0 發展到 HDMI 2.1,傳輸速率由6.0 Gbps 直接發展至 12 Gbps,讓影像傳輸的效率更上一層樓;又如目前 USB 3.2 Gen 2的最大傳輸速度為10 Gbps,但為了讓速度快上加快,USB-IF 協會即將在全新的 USB 4 讓傳輸速度躍升至 20 Gbps,等同於 Thunderbolt3 的傳輸速度。

然而,當使用者在追求絕佳傳輸品質與即時性的那一刻,線材的穩定性和優劣必然會直接影響到使用者體驗;舉例來說,當使用者將未認證的線纜插上設備後,常會發生裝置無反應的情況。

高頻測試常見五大問題

百佳泰為多家國際連接器協會所認證的實驗室,可為客戶執行驗證測試,提供測試所需要的相關高頻治具設計。從2016年開始可針對標準或是特殊規格的連接器提供高頻量測試治具設計的客製化服務,我們累積了多達百件以上的High Frequency治具設計案量及經驗,並找出以下在高頻測試時最常發生的五大問題:

一.阻抗不匹配Impedance NOT matching

阻抗匹配(Impedance matching)是指為了使信號功率能從信號源(source)到負載(load)得到最有效的傳遞,讓信號在傳遞過程中儘可能不發生反射現象。

Issue:阻抗不匹配若發生時,會形成反射、能量無法傳遞,不僅降低效率還會產生震盪、輻射、干擾等不良影響。

二.串音干擾(Crosstalk)

兩條信號線之間的耦合干擾現象,可分為近端及遠端干擾。

Issue:串音干擾發生時,會影響信號完整性。

三.頻域的衰減(Attenuation)

高頻信號由A傳遞至B,於傳輸過程中產生的信號損失以及各種損耗成分的總和。

Issue:頻域的衰減發生時,會造成信號傳導不良,降低效率等不良影響。

四.反射損失(Return Loss)

高頻訊號因阻抗不匹配造成輸入訊號反射的現象。

Issue:反射損失發生時,會造成能量遭反射,效率降低等不良影響。

五.衰減串音比ACR Attenuation to Crosstalk Ratio

遠端串音與衰減的差值。

Issue:當ACR發生時,即代表Crosstalk與Insertion Loss可能也有相應的問題發生,造成信號完整性可能有所影響及訊號效率降低的不良情況產生。

Potential RiskImprove Method
阻抗匹配(Impedance matching)
反射損失(Return Loss)
調整PCB阻抗特性,減少高頻治具板對待測連接器和線材的影響 優化客戶原始提供腳位設計規範以及規格,減少信號衰減
頻域的衰減
Attenuation (Insertion Lost)
電路設計上的調配 高頻PCB材料的選用 加工方式(錫多錫少皆會有影響)
串音干擾
(Crosstalk)
衰減串音比ACR
(Attenuation to Crosstalk Ratio)
Trace走線不靠太近,可用via將訊號回流 Trace不上綠漆可減少干擾 Differential pair可用一上一下方式放置來降低干擾

針對五大問題百佳泰可提供相對應的解決方案

百佳泰高頻治具應用於實際案例

我們以測試驗證和實際上遇到的案例提供客製化高頻治具解決方案,可逐一對應,讓您的產品無論從開發初期到上市都能保有良好的品質。以下為百佳泰在高頻治具設計上所搜集的一些案例:

Example 1: 待測物 pin腳與治具板連接處,接觸面所造成的阻抗不匹配Impedance not matching:

解決方案:減少待測物 pin腳與治具板連接處,因電容效應過大而造成阻抗偏低的影響。

Example 2: 客戶連接器加工方式所造成的Insertion Loss影響

解決方案:改善加工方式,減少Insertion Loss。

Example 3: 同一平面,相鄰太近的Trace,造成Crosstalk的現象

解決方案:相鄰的Differential pair採不同層面的走線方式,減少信號太近造成的串音干擾。同時利用貫穿孔(via),縮短信號的Return Path。

Example 4: HDMI ACR Test Failed

解決方案:由於ACR是測試 遠端串音與衰減的差異值,藉由減少Crosstalk & Insertion Loss來讓ACR test更容易通過。

一站式高頻治具設計與測試服務

高頻治具的開發設計,儼然已成為連接器、線纜驗證不可或缺的一環。目前唯有百佳泰能提供客戶從圖樣、Sample到治具,全方位從驗證測試設計改善、到取得證書,協助您大幅縮短產品開發時程,成為市場中有競爭力的高品質產品。

若有關高頻測試治具需求請洽百佳泰或參照下列網址獲得進一步資訊: https://www.allion.com.tw/test-fixture/