科普：什么是TDR？
[導(dǎo)讀]1、TDR時(shí)域反射技術(shù)原理TDR(TimeDomainReflectometry)時(shí)域反射技術(shù)的原理是，信號(hào)在某一傳輸路徑傳輸，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射，另一部分信號(hào)會(huì)繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。TDR是通過(guò)測(cè)量反射波的電壓幅度，從而計(jì)算出阻抗的變化；同時(shí)，只要測(cè)量...
1、TDR時(shí)域反射技術(shù)原理
TDR (Time Domain Reflectometry)時(shí)域反射技術(shù)的原理是，信號(hào)在某一傳輸路徑傳輸，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射，另一部分信號(hào)會(huì)繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。TDR是通過(guò)測(cè)量反射波的電壓幅度，從而計(jì)算出阻抗的變化；同時(shí)，只要測(cè)量出反射點(diǎn)到信號(hào)輸出點(diǎn)的時(shí)間值，就可以計(jì)算出傳輸路徑中阻抗變化點(diǎn)的位置。
TDR(Time Domain Reflectometry)即時(shí)域反射技術(shù)，是一種對(duì)反射波進(jìn)行分析的測(cè)量技術(shù)，主要用于測(cè)量傳輸線的特性阻抗，其主要設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)分析儀。TDR的測(cè)試原理是通過(guò)向傳輸路徑中發(fā)送一個(gè)脈沖或階躍信號(hào)，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，部分能量會(huì)被反射，其余能量繼續(xù)傳輸。當(dāng)知道發(fā)射波的幅度并測(cè)量反射波的幅度時(shí)，則可以計(jì)算出路徑中阻抗的變化。且通過(guò)測(cè)量發(fā)射到反射波回到發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間差，還可以計(jì)算阻抗變化的相位。根據(jù)反射原理，可以獲得待測(cè)位置的阻抗Z=Zref(1 ρ)/(1-ρ)，ρ為發(fā)射系數(shù)，ρ=Vreflected/Vincident，Vreflected及Vincident 分別為反射波幅度及入射波幅度，Zref為TDR的輸出阻抗，通常為50ohm標(biāo)準(zhǔn)電阻。從式中可以看出，當(dāng)ρ=1時(shí)，待測(cè)位置阻抗為∞，則該位置開(kāi)路，當(dāng)ρ=-1時(shí)，待測(cè)位置阻抗為0，則說(shuō)明其短路。（本文僅對(duì)開(kāi)短路原理進(jìn)行講解，其余阻抗相關(guān)原理略）
利用上述原理，可以對(duì)需要破壞才能確認(rèn)的失效點(diǎn)進(jìn)行初步的位置判斷。例如芯片內(nèi)部失效或者芯片焊點(diǎn)失效這種情況（取下芯片則破壞焊點(diǎn)，切片焊點(diǎn)則破壞芯片）以及超大樣品某一具體位置失效這類問(wèn)題。前者在具體分析時(shí)因不易判斷具體失效點(diǎn)（焊點(diǎn)或芯片）而使得分析的難度加大，而后者主要難度則是花費(fèi)很大時(shí)間及精力在尋找具體的失效點(diǎn)的位置上。以下介紹兩個(gè)案例來(lái)幫助讀者理解TDR在失效分析中快速定位作用。
如果把傳輸線比作交通運(yùn)輸線，糟糕的路況（類似傳輸線里的特性阻抗）會(huì)影響運(yùn)輸車隊(duì)的速度，路越窄，路的阻礙作用越大（特性阻抗大，通過(guò)的信號(hào)能量就?。宦吩綄?、路況越好，通過(guò)的車隊(duì)速度越快（通過(guò)的信號(hào)能量越多）。導(dǎo)線只是傳輸能量的，導(dǎo)線本身并不消耗能量或者近似于不損耗能量。當(dāng)射頻信號(hào)到達(dá)導(dǎo)線末端，能量沒(méi)有辦法釋放，就會(huì)沿著導(dǎo)線反傳回來(lái)。就跟我們對(duì)著墻喊，聲音碰到墻反傳回來(lái)產(chǎn)生回音。假如我們?cè)诰€的末端接上一個(gè)電阻，便可消耗（或者接收）線上傳輸過(guò)來(lái)的射頻能量。
我們發(fā)現(xiàn)有三種特殊情況：■ 當(dāng)R=R0時(shí)，傳輸過(guò)來(lái)的能量剛好被末端的電阻R吸收完，沒(méi)有能量反射回去。可看成導(dǎo)線無(wú)線長(zhǎng)。■ 當(dāng)R=∞時(shí)（開(kāi)路），能量全部反射回去，而且在線的末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2倍于發(fā)射源的電壓。■ 當(dāng)R=0時(shí)（短路），末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)-1倍于源電壓反射回去。
TDR可以用來(lái)測(cè)試傳輸線上的開(kāi)路、短路以及相鄰傳輸線間的串?dāng)_。在光傳輸系統(tǒng)的維護(hù)中，可以用光時(shí)域反射計(jì)來(lái)檢測(cè)光纖的斷裂等故障，也是基于這一原理。
下圖中是一個(gè)終端開(kāi)路TDR圖樣，其中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是幅度，也可以是反射系數(shù)ρ.
下圖其中ρ是反射系數(shù)，Z0是參考阻抗(一般為50 50ohm ohm ohm，由測(cè)試系統(tǒng)決定)，Z是待測(cè)阻抗。由此儀器可以計(jì)算顯示出傳輸線各個(gè)點(diǎn)的阻抗，從而可以在儀器的屏幕上顯示一條TDR 曲線，曲線的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)傳輸線上的每一點(diǎn)的反射系數(shù)或特征阻抗。
當(dāng)傳輸線上存在寄生電容、電感(如過(guò)孔)時(shí)，在TDR 曲線上可以反映出寄生參數(shù)引起的阻抗不連續(xù)，而且這些阻抗不連續(xù)曲線可以等效為電容、電感或其組合的模型，因而TDR 也可以用來(lái)進(jìn)行互連建模。
2、案例
案例1：區(qū)分失效為芯片內(nèi)部問(wèn)題還是焊點(diǎn)問(wèn)題。接收態(tài)樣品包括光板、良品板、失效板。通過(guò)對(duì)光板、良品板、失效板失效的鏈路分別進(jìn)行TDR測(cè)試，并與空載曲線進(jìn)行對(duì)比，從圖中可以看出，失效樣品的曲線并未像正常樣品一樣信號(hào)進(jìn)入到芯片內(nèi)部，而是與光板的曲線一樣，到了焊盤附近就出現(xiàn)開(kāi)路的現(xiàn)象。因此可以判斷開(kāi)路的失效點(diǎn)是在焊盤的附近，即可能是焊點(diǎn)或焊盤走線的問(wèn)題，而不是芯片內(nèi)部的問(wèn)題，進(jìn)一步對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行切片，通過(guò)切片可以觀察到該鏈路焊點(diǎn)底部存在開(kāi)裂異常。
案例2：定位超大失效樣品內(nèi)具體的失效位置。送檢樣品尺寸500mm*300mm，失效鏈路總長(zhǎng)度約400mm，通過(guò)TDR從失效鏈路的兩端分別進(jìn)行測(cè)試，獲得開(kāi)路時(shí)間分別為1.79ns及2.94ns，換算可以獲得開(kāi)路點(diǎn)距離兩端分別是151mm及249mm位置上，結(jié)合PCB布線圖對(duì)所定位的位置進(jìn)行X-Ray局部放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)該位置存在走線斷裂的情況，而沒(méi)有TDR定位的情況下，僅采用X-Ray放大觀察整段線路將會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。而且如果不注意X-Ray襯度調(diào)節(jié)的情況下，很難明顯的觀察到微裂紋的存在。
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