<그림 1> 전송선로에 의한 수신 신호의 왜곡

전송선로의 품질을 관리하는 측정 항목인 특성 임피던스(Characteristic Impedance)는 PCB 품질 측정에 오래전부터 사용되어 왔지만, S-Parameter 측정이 활발하게 도입된 것은 상대적으로 최근의 일입니다. S-parameter와 같은 주파수 도메인 측정은 전통적으로 고주파의 RF회로 측정에 사용되어 왔었으나 요즘은 신호의 대역이 높아진 디지털 전송선로의 측정에도 적용되고 있습니다.

디지털 전송선로라고 해서 무조건 TDR과 같은 품질을 측정하지는 않습니다. 디지털 전송선로에서는 전송되는 신호의 상승시간(rise time)이, 신호가 선로를 통해 전달되었다가 반사파가 돌아오는 시간(Round trip propagation delay)보다 빠르면 전송선로의 특성이 신호의 품질에 영향을 미치게 됩니다. 예를 들어, FR-4 PCB에서 신호는 1ns 동안 15cm를 진행하게 됩니다. 즉, 상승시간(rise time)이 1ns인 신호는 길이 7.5cm 이상의 PCB 패턴에서 전달될 때 선로 특성의 영향을 받게 됩니다. 최소 상승시간이 100ps인 DDR2 메모리를 사용하는 PCB기판의 경우 신호 패턴의 길이가 0.75cm 이상이라면 선로의 특성 임피던스가 관리되어야 합니다.

아래 표는 신호 노이즈와 신호 왜곡이 발생하는 원인과 분석 방법을 보여주고 있습니다. TDR 측정 기반의 임피던스와 S-parameter 분석은 고속 디지털 신호 전송을 위해 반드시 수행되어야 합니다. 전송선로의 임피던스 불일치와 낮은 대역폭은 신호 자체에 왜곡을 가져오고 지터와 노이즈를 발생시키는 원인입니다. 또한 임피던스 불일치로 인한 반사는 EMI의 원인이 됩니다. 특히 Common mode Impedance 불일치는 차동 신호 라인(Differential Transmission Line)에서 EMI 발생의 주요 원인 중 하나입니다.

<그림 2> PCB 특성 임피던스 파형의 변화

<그림 3> I-Connect SW : S-parameter, Z-line, Modeling

<그림 4> DSA8200 TDR 측정 장면


<그림 5> PCI-E 전송 라인의 임피던스 측정


<그림 6> 고성능 벤치형 TDR 장비의 예

IC 패키지 불량 분석

BGA와 같은 IC Package 내부의 핀 오픈, 쇼트 지점을 비파괴 방식으로 검사하는 데에도 TDR이 응용되고 있습니다. 짧은 거리의 패키지 내부를 정확하게 측정하기 위해서는 가능한 TDR 거리(시간) 해상도(Resolution)가 좋은 장비가 유리하고, 따라서 상승시간(Rise Time)이 빠른 TDR pulse를 사용하는 장비로 측정하는 것이 중요합니다. TDR 플러그인 모듈인 80E10은 일반적인 PCB 측정에서 1mm 거리의 임피던스 분해능을 보여주는 현재 최고 대역의 플러그인 모듈입니다. IC 패키지 분석은 주로 파형 비교 방식을 사용합니다. 양품의 파형과 불량 핀의 파형(예를 들어 쇼트)은 아래와 같이 극명하게 다른 임피던스 변화 특성을 보여줍니다.

<그림 7> Tektronix DSA8200 IC Failure Analysis

케이블 TDR 측정

동축 케이블, Twisted Pair Cable 등의 특성을 측정하고 케이블 및 시스템을 유지보수하는 데에는 고성능 휴대용 TDR 장비를 사용합니다. 아래 그림은 케이블의 연결부위에서 불완전 결합으로 인한 임피던스의 급격한 변화를 보여주는 예입니다. 50Ω, 75Ω과 같은 케이블의 임피던스를 포함한 S-parameter, RF특성을 측정하고, 케이블 자체의 손상이나 커넥터의 마모, 연결부위의 불량 등을 검출할 수 있습니다. 항공기, 선박, 철도차량, 원자력발전소, 보안시설과 같이 고품질 케이블 관리, 유지보수가 필요한 곳에서는 이동성과 고성능을 모두 만족하는 휴대용 고성능 TDR 장비를 사용합니다. 아래 케이블 측정화면은 BNC 커넥터 연결부분에서 결합이 완전히 되지 않은 경우의 임피던스의 변화를 보여줍니다. 또 다른 측정화면은 0.8m 길이의 동축 케이블을 TDR 측정한 것인데, 0.624m 지점에서 케이블의 심각한 손상이 있다는 것을 알 수 있습니다.
 

<그림 8> 휴대형 케이블 TDR 장비의 예


<그림 9> Mohr CT100 Cable TDR Tester 화면

 
<그림 10> Mohr CT100 Cable 측정 화면, 0.624m 지점에서 케이블의 손상이 발견된다.

다른 모든 측정과 마찬가지로 TDR 프로빙(Pronbing)은 정확한 측정의 시작점입니다. 어떤 종류의 프로빙 방법을 사용하던 정확하고 안정적인 DUT로의 연결이 필수적일 것입니다. TDR 프로브는 장비에서 출력된 스텝펄스 신호를 DUT에 최소한의 손실로 전달하고, 다시 DUT의 반사 신호를 장비로 전달하는 중요한 역할을 합니다. 따라서, 충분한 대역폭과 DUT로의 연결/접촉부분에서의 최소의 손실, DUT로의 용이한 연결 및 접촉이 중요합니다. TDR 프로빙의 종류는 Ground와 Signal 사이의 임피던스인 싱글엔드, 차동 신호라인의 두 라인의 DUT를 TDR 장비에 연결하는 프로빙 방법은 크게 다음과 같습니다.

1. 핸드핼드(Handheld) 프로브 또는 Probing Arm과 함께 사용: 이 방식은 TDR 전용 프로브를 사용하여, 손으로 잡고 프로빙을 하거나 거치대(Probing Arm 또는 Manipulator)에 연결해 좀 더 안정적으로 신호를 획득하는 방법입니다. 이 방식은 비교적 사용법이 간단하고 범용으로 여러 다른 포인트에 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. TDR 측정 모드에 따라 차동(Differential) 100Ω 프로브, 싱글엔드 50Ω 프로브, 또는 차동-싱글 겸용 프로브가 있습니다. 프로브를 선택할 때에는 프로브 자체의 충분한 대역폭 뿐 아니라, 측정하고자 하는 포인트의 간격(Pitch)도 DUT에 맞게 검토해야 합니다. 일반적으로 프로브의 핀 간격은 프로브의 종류에 따라 약 0.25~5mm 정도로 조정 가능합니다.
 

<그림 11> P80318 100ohm Differential Probe, 범용

 
<그림 12> Probe Manipulator와 Gigaprobe로 probing
 

<그림 13> Gigaprobe Fine Pitch TDR 프로브, 50ohm & 100ohm

2. 프로브 스테이션 : 측정 포인트의 간격(Pitch)이 보다 작은 경우는 수십 GHz 대역의 RF프로브 팁을 포함한 프로브 스테이션(Probe Station)으로 DUT와 연결을 해야 할 때도 있습니다. 프로브스테이션의 접촉 핀 간격은 통상 50µm~1250µm 정도입니다. 핀 간격은 일반적으로 고정형이 대부분이므로 측정하고자 하는 간격에 맞추어 미리 여러 종류를 준비해야 합니다. 정밀하게 프로빙을 하기 위해 프로브 스테이션은 DUT를 고정하는 부분(chuck)과 위치를 조정하는 포지셔너(Positioner), 현미경이나 마이크로스코프가 포함되어 있습니다. 프로브 팁은 수동 프로브와 마찬가지로 차동(Differential), 싱글-엔드(Single-end)가 따로 있습니다.
 

 <그림 14> Probe Station

3. 테스트 픽스쳐(Fixture or Zig)의 사용: 케이블과 같이 커넥터가 연결된 DUT의 경우에는 테스트 픽스쳐를 사용해 간편하고 정확하게 TDR과 S-parameter 측정을 할 수 있습니다. HDMI, Displayport, USB, SATA 등 테스트 규격이 있는 케이블의 경우 많이 사용합니다. 규격테스트를 할 때에는 각각의 규격협회에서 인정한 고품질의 전용 픽스쳐가 사용됩니다. 픽스쳐를 사용자의 케이블 커넥터에 맞게 자체 제작하는 경우에는 커넥터와 PCB패턴의 주파수대역과 특성 임피던스를 매우 정확하게 제작해야 합니다.

 <그림 15> USB 3.0 Test Fixture

< 이미지 출처 : Tektronix, Mohr, DVT solutio, MStech >