科普：什么是TDR？

时间：2021-08-02 00:10:41

关键字： TDR 时域反射技术芯片

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[导读]1、TDR时域反射技术原理TDR(TimeDomainReflectometry)时域反射技术的原理是，信号在某一传输路径传输，当传输路径中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号会继续沿传输路径传输。TDR是通过测量反射波的电压幅度，从而计算出阻抗的变化；同时，只要测量...

1、TDR时域反射技术原理

TDR (Time Domain Reflectometry)时域反射技术的原理是，信号在某一传输路径传输，当传输路径中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号会继续沿传输路径传输。TDR是通过测量反射波的电压幅度，从而计算出阻抗的变化；同时，只要测量出反射点到信号输出点的时间值，就可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置。

TDR(Time Domain Reflectometry)即时域反射技术，是一种对反射波进行分析的测量技术，主要用于测量传输线的特性阻抗，其主要设备为网络分析仪。TDR的测试原理是通过向传输路径中发送一个脉冲或阶跃信号，当传输路径中发生阻抗变化时，部分能量会被反射，其余能量继续传输。当知道发射波的幅度并测量反射波的幅度时，则可以计算出路径中阻抗的变化。且通过测量发射到反射波回到发射点的时间差，还可以计算阻抗变化的相位。根据反射原理，可以获得待测位置的阻抗Z=Zref(1 ρ)/(1-ρ)，ρ为发射系数，ρ=Vreflected/Vincident，Vreflected及Vincident 分别为反射波幅度及入射波幅度，Zref为TDR的输出阻抗，通常为50ohm标准电阻。从式中可以看出，当ρ=1时，待测位置阻抗为∞，则该位置开路，当ρ=-1时，待测位置阻抗为0，则说明其短路。（本文仅对开短路原理进行讲解，其余阻抗相关原理略）

利用上述原理，可以对需要破坏才能确认的失效点进行初步的位置判断。例如芯片内部失效或者芯片焊点失效这种情况（取下芯片则破坏焊点，切片焊点则破坏芯片）以及超大样品某一具体位置失效这类问题。前者在具体分析时因不易判断具体失效点（焊点或芯片）而使得分析的难度加大，而后者主要难度则是花费很大时间及精力在寻找具体的失效点的位置上。以下介绍两个案例来帮助读者理解TDR在失效分析中快速定位作用。
如果把传输线比作交通运输线，糟糕的路况（类似传输线里的特性阻抗）会影响运输车队的速度，路越窄，路的阻碍作用越大（特性阻抗大，通过的信号能量就小）；路越宽、路况越好，通过的车队速度越快（通过的信号能量越多）。导线只是传输能量的，导线本身并不消耗能量或者近似于不损耗能量。当射频信号到达导线末端，能量没有办法释放，就会沿着导线反传回来。就跟我们对着墙喊，声音碰到墙反传回来产生回音。假如我们在线的末端接上一个电阻，便可消耗（或者接收）线上传输过来的射频能量。
我们发现有三种特殊情况：■ 当R=R0时，传输过来的能量刚好被末端的电阻R吸收完，没有能量反射回去。可看成导线无线长。■ 当R=∞时（开路），能量全部反射回去，而且在线的末端点会产生2倍于发射源的电压。■ 当R=0时（短路），末端点会产生一个-1倍于源电压反射回去。

TDR可以用来测试传输线上的开路、短路以及相邻传输线间的串扰。在光传输系统的维护中，可以用光时域反射计来检测光纤的断裂等故障，也是基于这一原理。
下图中是一个终端开路TDR图样，其中横坐标是时间，纵坐标是幅度，也可以是反射系数ρ.

下图其中ρ是反射系数，Z0是参考阻抗(一般为50 50ohm ohm ohm，由测试系统决定)，Z是待测阻抗。由此仪器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的屏幕上显示一条TDR 曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系数或特征阻抗。

当传输线上存在寄生电容、电感(如过孔)时，在TDR 曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR 也可以用来进行互连建模。
2、案例
案例1：区分失效为芯片内部问题还是焊点问题。接收态样品包括光板、良品板、失效板。通过对光板、良品板、失效板失效的链路分别进行TDR测试，并与空载曲线进行对比，从图中可以看出，失效样品的曲线并未像正常样品一样信号进入到芯片内部，而是与光板的曲线一样，到了焊盘附近就出现开路的现象。因此可以判断开路的失效点是在焊盘的附近，即可能是焊点或焊盘走线的问题，而不是芯片内部的问题，进一步对焊点进行切片，通过切片可以观察到该链路焊点底部存在开裂异常。

案例2：定位超大失效样品内具体的失效位置。送检样品尺寸500mm*300mm，失效链路总长度约400mm，通过TDR从失效链路的两端分别进行测试，获得开路时间分别为1.79ns及2.94ns，换算可以获得开路点距离两端分别是151mm及249mm位置上，结合PCB布线图对所定位的位置进行X-Ray局部放大观察，可以发现该位置存在走线断裂的情况，而没有TDR定位的情况下，仅采用X-Ray放大观察整段线路将会耗费很长时间。而且如果不注意X-Ray衬度调节的情况下，很难明显的观察到微裂纹的存在。