圖1：Coaxial Cable
正規(guī)的同軸電纜組成結(jié)構(gòu)分為4層，由中心而外分別是內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層、外被，作為多同軸線的外被大多是以銅箔麥拉為主，加上編織層即為雙屏蔽，可以為每條同軸線帶來更好的抗干擾特性。另外，由于同軸電纜對(duì)地（編織層）距離的控制較好，因此在高頻傳輸?shù)谋憩F(xiàn)，無論是導(dǎo)通特性（損耗、差共模轉(zhuǎn)換）或是串?dāng)_方面都有較好的表現(xiàn)。
圖2：Coaxial Cable結(jié)構(gòu)
以雙絞線來說，每條銅線本身存在微量電感，此外，當(dāng)兩條銅線靠近時(shí)，彼此間產(chǎn)生電荷效應(yīng)（電容），而特性阻抗的穩(wěn)定度（連續(xù)性）則是取決于電感、電容的分布(L0、C0)是否均勻且穩(wěn)定，因此，參考如下關(guān)系式，在決定特性阻抗的時(shí)候，可以看到雙絞線除了線芯直徑(d)以及固定絕緣層的介電常數(shù)(ε)以外，如何控制兩線之間的距離(D)是最重要的。
雙絞線特性阻抗關(guān)系式：
而同軸線因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，控制內(nèi)外導(dǎo)體(D &d)的一致性相對(duì)來說，特性阻抗的掌控上則會(huì)比雙絞線來的穩(wěn)定，而連續(xù)且平穩(wěn)的特性阻抗在S參數(shù)上就會(huì)有良好的的表現(xiàn)。
同軸線特性阻抗關(guān)系式：
組件設(shè)計(jì)時(shí)的特性阻抗控制
在設(shè)計(jì)時(shí)，Type-C Cable Assembly特性阻抗已有Connector Differential 85ohm與Raw Cable Differential 90ohm的差異，因此對(duì)于各組件的阻抗控制需要更加注意，一旦選擇的料件匹配度不足或是產(chǎn)生過多的不連續(xù)面，都可能造成ILfit、IRL的Fail，更甚影響Integrated Crosstalk的表現(xiàn)。
1. 裸線控制
在抽線的過程中絕緣層與編織層的包覆，已決定了裸線的特性阻抗以及通道特性的好壞，值得注意的是，百佳泰測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在一些偶發(fā)的不良案例中發(fā)現(xiàn)客戶在線材特性阻抗的基準(zhǔn)值已偏離USB所規(guī)范的90 Ohm許多，這會(huì)造成訊號(hào)在不匹配的信道中傳輸，進(jìn)而造成多種高頻項(xiàng)目的Fail。
2. Paddle Card控制
在認(rèn)證的過程中，我們有時(shí)會(huì)遇到客戶帶著Paddle Card 設(shè)計(jì)廠商參與Debug。制造商與Layout方都認(rèn)為自己都照設(shè)計(jì)圖上的要求制作，為何加工后，成品線就是會(huì)發(fā)生Fail呢?
問題的原因在于，Layout端在接到案件之后，照著規(guī)范設(shè)定的阻抗進(jìn)行了Trace
以及Pad的設(shè)計(jì)，線材制造商在設(shè)計(jì)完成后取得Paddle Card并將裸線實(shí)際焊接、上膠，才發(fā)現(xiàn)原本設(shè)定好的特性阻抗因?yàn)榧庸ず蟮碾娙菪?yīng)往下掉，反而造成阻抗不連續(xù)面的增加（如下圖所示），這代表制造商與Layout商在發(fā)包時(shí)并沒有討論后續(xù)的加工以及對(duì)應(yīng)的影響。正確的作法是，先將特性阻抗在加工后會(huì)產(chǎn)生的差異估算進(jìn)去，進(jìn)行Layout時(shí)先提高特性阻抗的設(shè)計(jì)，使加工后的波形落入好球帶。
圖3：Paddle Card焊接前后差異
線材加工過程常見問題
如果屏除裸線于抽線過程中所造成的不良影響，在分析認(rèn)證案件的不合格樣品時(shí)，百佳泰發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的Fail都會(huì)發(fā)生在加工的過程，常見的不良原因大致分為3種：
- 焊接不良
- 線材受損
- 剝線長度的管控
1. 焊接不良
常見的焊接不良包括空（浮）焊、線芯松散、線芯斷裂、焊接對(duì)位誤差過大、錫絲錫球，或是錫油的殘留等等，這些情況都可能造成特性的不良。舉例來說，當(dāng)線芯松散時(shí)，表面積形狀以及吃錫情況都不易控制，特性阻抗的穩(wěn)定性也就不足，而焊接位移可能造成訊號(hào)間的Patch過小，進(jìn)而影響串?dāng)_。另外，錫絲與錫球的產(chǎn)生除了提升串?dāng)_發(fā)生的可能性，更會(huì)造成Stub所產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)，這些都是在焊接時(shí)應(yīng)避免的。
圖4：焊接不良案例
2. 線材受損
線材的受損分為線芯受損或外被受損，大量生產(chǎn)時(shí)，在焊接的環(huán)節(jié)一般會(huì)選擇熱壓焊機(jī)（Hot Bar Soldering Machine），有些使用高頻焊接，在焊接時(shí)必須注意剝線的力道，Hot Bar的位移行程、溫度的調(diào)整，焊接時(shí)也須注意加熱時(shí)間以及夾持時(shí)可能造成的外被變形或破孔。
3. 剝線長度的管控
在產(chǎn)線量產(chǎn)之前， 應(yīng)訂定好裸線每層應(yīng)剝除的長度，一款裸線的特性阻抗都是由每一個(gè)物理層的材質(zhì)、厚度共同決定的，在去除每一層的時(shí)候都應(yīng)該顧及到特性與后期量產(chǎn)時(shí)的加工難易度，一旦剝線長度定義完成，無論是裸線的前處理或是與連接器組裝為成品線的環(huán)節(jié)都應(yīng)共同遵守。倘若剝線定義每個(gè)層面剝線距離為1.5mm，在理線或焊接時(shí)都應(yīng)盡可能符合，切勿因加工而改變外被、屏蔽長度，因?yàn)檫@些變化即便差異0.5mm都可能直接影響到最終高頻結(jié)果。
圖5：剝線長度造成阻抗不連續(xù)面差異
組件的選擇
1. Connector
由于Type-C除了Full-Featured板端連接器可以進(jìn)行USB4 Gen3認(rèn)證之外，在所有USB 3.2 Connector與Plug的認(rèn)證中都是不包括高頻測(cè)試的，因此選擇合適的連接器進(jìn)行產(chǎn)品的制作就會(huì)是制造商在開發(fā)期很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
2. Raw Cable
在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)期，制造商會(huì)面臨的第一個(gè)問題是，該如何選擇合適的料件進(jìn)行組裝呢？成品線的組成大致分為連接器、Paddle card、Raw Cable，以USB Type C為例，協(xié)會(huì)在規(guī)范中已具體羅列出Coaxial/ Twisted的參考損耗(dB/m)，制造商可以用這樣的范例數(shù)據(jù)對(duì)供貨商的裸線進(jìn)行確認(rèn)。
表1：Loss Example for Twisted Pair Cable（數(shù)據(jù)源: USB Type-C Spec R2.1）
表2：Loss Example for Coaxial Cable（數(shù)據(jù)源: USB Type-C Spec R2.1）
1. Paddle Card
在組裝時(shí)，除了應(yīng)注意Paddle Card Impedance的設(shè)計(jì)之外，還需要定義在加工區(qū)所披覆的膠水種類，考慮膠水特性與量產(chǎn)時(shí)能符合加工便利性、含水量、固化時(shí)間等，大多數(shù)產(chǎn)品使用UV膠（UV Resin），而這些對(duì)于特性阻抗的變因，都需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就考慮在PCB Layout內(nèi)。
圖6：膠水選用時(shí)對(duì)于特性阻抗之影響
制作USB線纜、投入認(rèn)證的過程中才發(fā)現(xiàn)所選用的組件匹配性不足或是穩(wěn)定性不高，往往會(huì)令制造商感到進(jìn)退兩難?？蛻羲蜏y(cè)后，百佳泰不僅可以認(rèn)證線纜成品，早在客戶選擇料件的時(shí)期，百佳泰也能進(jìn)行連接器以及各組件的Pre-Test，進(jìn)而節(jié)省認(rèn)證與選用零件上的時(shí)間進(jìn)程，并全面確保USB線纜質(zhì)量。如果對(duì)于USB線纜連接器有任何驗(yàn)證需求，歡迎洽詢百佳泰?service@allion.com。
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