高速PCB設(shè)計(jì)指南之三
第三篇 高速PCB設(shè)計(jì)

（一）、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

　　隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們正在從事100MHZ以上的電路設(shè)計(jì)，總線的工作頻率也已經(jīng)達(dá)到或者超過50MHZ，有的甚至超過100MHZ。目前約50% 的設(shè)計(jì)的時鐘頻率超過50MHz，將近20% 的設(shè)計(jì)主頻超過120MHz。
　　當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號的完整性問題；而當(dāng)系統(tǒng)時鐘達(dá)到120MHz時，除非使用高速電路設(shè)計(jì)知識，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無法工作。因此，高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采取的設(shè)計(jì)手段。只有通過使用高速電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可控性。


（二）、什么是高速電路

　　通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45MHZ~50MHZ，而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個電子系統(tǒng)一定的份量（比如說１／３），就稱為高速電路。
　　實(shí)際上，信號邊沿的諧波頻率比信號本身的頻率高，是信號快速變化的上升沿與下降沿（或稱信號的跳變）引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此，通常約定如果線傳播延時大于1/2數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時間，則認(rèn)為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。
信號的傳遞發(fā)生在信號狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時間。信號從驅(qū)動端到接收端經(jīng)過一段固定的時間，如果傳輸時間小于1/2的上升或下降時間，那么來自接收端的反射信號將在信號改變狀態(tài)之前到達(dá)驅(qū)動端。反之，反射信號將在信號改變狀態(tài)之后到達(dá)驅(qū)動端。如果反射信號很強(qiáng)，疊加的波形就有可能會改變邏輯狀態(tài)。
（三）、高速信號的確定

　　上面我們定義了傳輸線效應(yīng)發(fā)生的前提條件，但是如何得知線延時是否大于1/2驅(qū)動端的信號上升時間？一般地，信號上升時間的典型值可通過器件手冊給出，而信號的傳播時間在PCB設(shè)計(jì)中由實(shí)際布線長度決定。下圖為信號上升時間和允許的布線長度(延時)的對應(yīng)關(guān)系。　
PCB 板上每單位英寸的延時為 0.167ns.。但是，如果過孔多，器件管腳多，網(wǎng)線上設(shè)置的約束多，延時將增大。通常高速邏輯器件的信號上升時間大約為0.2ns。如果板上有GaAs芯片，則大布線長度為7.62mm。
設(shè)Tr為信號上升時間， Tpd 為信號線傳播延時。如果Tr≥4Tpd，信號落在安全區(qū)域。如果2Tpd≥Tr≥4Tpd，信號落在不確定區(qū)域。如果Tr≤2Tpd，信號落在問題區(qū)域。對于落在不確定區(qū)域及問題區(qū)域的信號，應(yīng)該使用高速布線方法。

（四）、什么是傳輸線

PCB板上的走線可等效為下圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻的典型值0.25-0.55 ohms/foot，因?yàn)榻^緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的PCB連線中之后，連線上的終阻抗稱為特征阻抗Zo。線徑越寬，距電源/地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號和信號終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號在接收端產(chǎn)生反射，這個反射信號將傳回信號發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號的幅度將減小，直到信號的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。這種效應(yīng)被稱為振蕩，信號的振蕩在信號的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹?。



（五）、傳輸線效應(yīng)

基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會對整個電路設(shè)計(jì)帶來以下效應(yīng)。
· 反射信號Reflected signals
· 延時和時序錯誤Delay & Timing errors
· 多次跨越邏輯電平門限錯誤False Switching
· 過沖與下沖Overshoot/Undershoot
· 串?dāng)_Induced Noise (or crosstalk)
· 電磁輻射EMI radiation

5.1 反射信號
　　如果一根走線沒有被正確終結(jié)(終端匹配)，那么來自于驅(qū)動端的信號脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號輪廓失真。當(dāng)失真變形非常顯著時可導(dǎo)致多種錯誤，引起設(shè)計(jì)失敗。同時，失真變形的信號對噪聲的敏感性增加了，也會引起設(shè)計(jì)失敗。如果上述情況沒有被足夠考慮，EMI將顯著增加，這就不單單影響自身設(shè)計(jì)結(jié)果，還會造成整個系統(tǒng)的失敗。
反射信號產(chǎn)生的主要原因：過長的走線；未被匹配終結(jié)的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。


5.2 延時和時序錯誤
　　信號延時和時序錯誤表現(xiàn)為：信號在邏輯電平的高與低門限之間變化時保持一段時間信號不跳變。過多的信號延時可能導(dǎo)致時序錯誤和器件功能的混亂。
　　通常在有多個接收端時會出現(xiàn)問題。電路設(shè)計(jì)師確定壞情況下的時間延時以確保設(shè)計(jì)的正確性。信號延時產(chǎn)生的原因：驅(qū)動過載，走線過長。

5.3 多次跨越邏輯電平門限錯誤
信號在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限從而導(dǎo)致這一類型的錯誤。多次跨越邏輯電平門限錯誤是信號振蕩的一種特殊的形式，即信號的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限會導(dǎo)致邏輯功能紊亂。反射信號產(chǎn)生的原因：過長的走線，未被終結(jié)的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。

5.4 過沖與下沖
過沖與下沖來源于走線過長或者信號變化太快兩方面的原因。雖然大多數(shù)元件接收端有輸入保護(hù)二極管保護(hù)，但有時這些過沖電平會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元件電源電壓范圍，損壞元器件。

5.5 串?dāng)_
　　串?dāng)_表現(xiàn)為在一根信號線上有信號通過時，在PCB板上與之相鄰的信號線上就會感應(yīng)出相關(guān)的信號，我們稱之為串?dāng)_。
　　信號線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號越小。異步信號和時鐘信號更容易產(chǎn)生串?dāng)_。因此解串?dāng)_的方法是移開發(fā)生串?dāng)_的信號或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號。
5.6 電磁輻射
EMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時，會對周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。目前已有進(jìn)行 EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數(shù)和邊界條件設(shè)置又很困難，這將直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。通常的做法是將控制EMI的各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用在設(shè)計(jì)的每一環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)上的規(guī)則驅(qū)動和控制。


（六）、避免傳輸線效應(yīng)的方法
針對上述傳輸線問題所引入的影響，我們從以下幾方面談?wù)効刂七@些影響的方法。

6.1 嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度
　　如果設(shè)計(jì)中有高速跳變的邊沿，就考慮到在PCB板上存在傳輸線效應(yīng)的問題?，F(xiàn)在普遍使用的很高時鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問題。解決這個問題有一些基本原則：如果采用CMOS或TTL電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作頻率小于10MHz，布線長度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50MHz布線長度應(yīng)不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過75MHz布線長度應(yīng)在1英寸。對于GaAs芯片大的布線長度應(yīng)為0.3英寸。如果超過這個標(biāo)準(zhǔn)，就存在傳輸線的問題。

6.2 合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　解決傳輸線效應(yīng)的另一個方法是選擇正確的布線路徑和終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用高速邏輯器件時，除非走線分支長度保持很短，否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線上的分支走線所扭曲。通常情形下，PCB走線采用兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即菊花鏈(Daisy Chain)布線和星形(Star)分布。
　　對于菊花鏈布線，布線從驅(qū)動端開始，依次到達(dá)各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來改變信號特性，串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動端。在控制走線的高次諧波干擾方面，菊花鏈走線效果好。但這種走線方式布通率低，不容易布通。實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短，安全的長度值應(yīng)該是：Stub Delay <= Trt *0.1.
　　例如，高速TTL電路中的分支端長度應(yīng)小于1.5英寸。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)。但是這種走線結(jié)構(gòu)使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的。
　　星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效的避免時鐘信號的不同步問題，但在密度很高的PCB板上手工完成布線十分困難。采用自動布線器是完成星型布線的好的方法。每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應(yīng)和連線的特征阻抗相匹配。這可通過手工計(jì)算，也可通過CAD工具計(jì)算出特征阻抗值和終端匹配電阻值。　

　　在上面的兩個例子中使用了簡單的終端電阻，實(shí)際中可選擇使用更復(fù)雜的匹配終端。種選擇是RC匹配終端。RC匹配終端可以減少功率消耗，但只能使用于信號工作比較穩(wěn)定的情況。這種方式適合于對時鐘線信號進(jìn)行匹配處理。其缺點(diǎn)是RC匹配終端中的電容可能影響信號的形狀和傳播速度。
　　串聯(lián)電阻匹配終端不會產(chǎn)生額外的功率消耗，但會減慢信號的傳輸。這種方式用于時間延遲影響不大的總線驅(qū)動電路?！　〈?lián)電阻匹配終端的優(yōu)勢還在于可以減少板上器件的使用數(shù)量和連線密度。
　　后一種方式為分離匹配終端，這種方式匹配元件需要放置在接收端附近。其優(yōu)點(diǎn)是不會拉低信號，并且可以很好的避免噪聲。典型的用于TTL輸入信號(ACT,HCT, FAST)。
　　此外，對于終端匹配電阻的封裝型式和安裝型式也考慮。通常SMD表面貼裝電阻比通孔元件具有較低的電感，所以SMD封裝元件成為。如果選擇普通直插電阻也有兩種安裝方式可選：垂直方式和水平方式。
　　垂直安裝方式中電阻的一條安裝管腳很短，可以減少電阻和電路板間的熱阻，使電阻的熱量更加容易散發(fā)到空氣中。但較長的垂直安裝會增加電阻的電感。水平安裝方式因安裝較低有更低的電感。但過熱的電阻會出現(xiàn)漂移，在壞的情況下電阻成為開路，造成PCB走線終結(jié)匹配失效，成為潛在的失敗因素。

6.3 抑止電磁干擾的方法
　　很好地解決信號完整性問題將改善PCB板的電磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是PCB板有很好的接地。對復(fù)雜的設(shè)計(jì)采用一個信號層配一個地線層是十分有效的方法。此外，使電路板的外層信號的密度小也是減少電磁輻射的好方法，這種方法可采用"表面積層"技術(shù)"Build-up"設(shè)計(jì)制做PCB來實(shí)現(xiàn)。表面積層通過在普通工藝 PCB 上增加薄絕緣層和用于貫穿這些層的微孔的組合來實(shí)現(xiàn)，電阻和電容可埋在表層下，單位面積上的走線密度會增加近一倍，因而可降低 PCB的體積。PCB面積的縮小對走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有的影響，這意味著縮小的電流回路，縮小的分支走線長度，而電磁輻射近似正比于電流回路的面積；同時小體積特征意味著高密度引腳封裝器件可以被使用，這又使得連線長度下降，從而電流回路減小，提高電磁兼容特性。

6.4 其它可采用技術(shù)
　　為減小集成電路芯片電源上的電壓瞬時過沖，應(yīng)該為集成電路芯片添加去耦電容。這可以有效去除電源上的毛刺的影響并減少在印制板上的電源環(huán)路的輻射。
　　當(dāng)去耦電容直接連接在集成電路的電源管腿上而不是連接在電源層上時，其平滑毛刺的效果好。這就是為什么有一些器件插座上帶有去耦電容，而有的器件要求去耦電容距器件的距離要足夠的小。
　　任何高速和高功耗的器件應(yīng)盡量放置在一起以減少電源電壓瞬時過沖。
　　如果沒有電源層，那么長的電源連線會在信號和回路間形成環(huán)路，成為輻射源和易感應(yīng)電路。
　　走線構(gòu)成一個不穿過同一網(wǎng)線或其它走線的環(huán)路的情況稱為開環(huán)。如果環(huán)路穿過同一網(wǎng)線其它走線則構(gòu)成閉環(huán)。兩種情況都會形成天線效應(yīng)(線天線和環(huán)形天線)。天線對外產(chǎn)生EMI輻射，同時自身也是敏感電路。閉環(huán)是一個考慮的問題，因?yàn)樗a(chǎn)生的輻射與閉環(huán)面積近似成正比。

結(jié)束語
　　　　高速電路設(shè)計(jì)是一個非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。本文所闡述的方法就是針對解決這些高速電路設(shè)計(jì)問題的。此外，在進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)時有多個因素需要加以考慮，這些因素有時互相對立。如高速器件布局時位置靠近，雖可以減少延時，但可能產(chǎn)生串?dāng)_和顯著的熱效應(yīng)。因此在設(shè)計(jì)中，需權(quán)衡各因素，做出全面的折衷考慮；既滿足設(shè)計(jì)要求，又降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。高速PCB設(shè)計(jì)手段的采用構(gòu)成了設(shè)計(jì)過程的可控性，只有可控的，才是可靠的，也才能是成功的！

PCB電路板沉金與鍍金工藝的區(qū)別？
鍍金，一般指的是“電鍍金”、“電鍍鎳金”、“電解金”等，有軟金和硬金的區(qū)分（一般硬金是用于金手指的），原理是將鎳和金（俗稱金鹽）溶化于化學(xué)藥水中，將線路板浸在電鍍缸內(nèi)并接通電流而在電路板的銅箔面上生成鎳金鍍層，電鎳金因鍍層硬度高，耐磨損，不易氧化的優(yōu)點(diǎn)在電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。

沉金是通過化學(xué)氧化還原反應(yīng)的方法生成一層鍍層，一般厚度較厚，是化學(xué)鎳金金層沉積方法的一種，可以達(dá)到較厚的金層。
沉金與鍍金的區(qū)別：

1、沉金與鍍金所形成的晶體結(jié)構(gòu)不一樣，沉金對于金的厚度比鍍金要厚很多，沉金會呈金黃色，較鍍金來說更黃（這是區(qū)分鍍金和沉金的方法之一）。

2、沉金比鍍金更容易焊接，不會造成焊接不良。

3、沉金板的焊盤上只有鎳金，信號的趨膚效應(yīng)是在銅層上傳輸，不會對信號產(chǎn)生影響。

4、沉金比鍍金的晶體結(jié)構(gòu)更致密，不易產(chǎn)生氧化。

5、鍍金容易使金線短路。而沉金板的焊盤上只有鎳金，因此不會產(chǎn)生金線短路。

6、沉金板的焊盤上只有鎳金，因此導(dǎo)線電阻和銅層的結(jié)合更加牢固。

7、沉金板的平整性與使用壽命較鍍金板要好。

高精密度(HDI板)電路板的耐熱性介紹

HDI板的耐熱性能是HDI可靠性能中重要的一個項(xiàng)目，HDI板的板厚變得越來越薄，對其耐熱性能的要求也越來越高。無鉛化進(jìn)程的推進(jìn)，也提高了HDI板耐熱性能的要求，而且由于HDI板在層結(jié)構(gòu)等方面不同于普通多層通孔PCB板，因此HDI板的耐熱性能與普通多層通孔PCB板相比有所不同，一階HDI板典型結(jié)構(gòu)。HDI板的耐熱性能缺陷主要是爆板和分層。到目前為止，根據(jù)多種材料以及多款HDI板的耐熱性能測試的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)HDI板發(fā)生爆板機(jī)率大的區(qū)域是密集埋孔的上方以及大銅面的下方區(qū)域。

耐熱性是指PCB抵抗在焊接過程中產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力的能力， PCB在耐熱性能測試中發(fā)生分層的機(jī)制一般包括以下幾種：

1) 測試樣品內(nèi)部不同材料在溫度變化時，膨脹和收縮性能不同而在樣品內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部熱機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂縫和分層的產(chǎn)生。

2) 測試樣品內(nèi)部的微小缺陷(包括空洞，微裂紋等)，是熱機(jī)械應(yīng)力集中所在，起到應(yīng)力的放大器的作用。在樣品內(nèi)部應(yīng)力的作用下，更加容易導(dǎo)致裂縫或分層的產(chǎn)生。

3) 測試樣品中揮發(fā)性物質(zhì)(包括有機(jī)揮發(fā)成分和水)，在高溫和劇烈溫度變化時，急劇膨脹產(chǎn)生的內(nèi)部蒸汽壓力，當(dāng)膨脹的蒸汽壓力到達(dá)測試樣品內(nèi)部的微小缺陷(包括空洞，微裂紋等)時，微小缺陷對應(yīng)的放大器作用就會導(dǎo)致分層。

HDI板容易在密集埋孔的上方發(fā)生分層，這是由于HDI板在埋孔分布區(qū)域特殊的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。有無埋孔區(qū)域的應(yīng)力分析如下表1。無埋孔區(qū)域(結(jié)構(gòu)1)在耐熱性能測試受熱膨脹時，在同一平面上各個位置的Z方向的膨脹量都是均勻的，因此不會存在由于結(jié)構(gòu)的差異造成的應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)區(qū)域中設(shè)計(jì)有埋孔且埋孔鉆在基材面上(結(jié)構(gòu)2)時，在埋孔與埋孔之間的A-A截面上，由于基材沒有收到埋孔在Z方向的約束，因而膨脹量較大，而在埋孔和焊盤所在的B-B截面上，由于基材受到埋孔在Z方向的約束，因而膨脹量較小，這三處膨脹量的差異，在埋孔焊盤與HDI介質(zhì)和塞孔樹脂交界處和附近區(qū)域造成應(yīng)力集中，從而比較容易形成裂縫和分層。

HDI板容易在外層大銅面的下方發(fā)生分層，這是由于在貼裝和焊接時，PCB受熱，揮發(fā)性物質(zhì)(包括有機(jī)揮發(fā)成分和水)急劇膨脹，外層大銅面阻擋了揮發(fā)性物質(zhì)(包括有機(jī)揮發(fā)成分和水)的及時逸出，因此產(chǎn)生的內(nèi)部蒸汽壓力，當(dāng)膨脹的蒸汽壓力到達(dá)測試樣品內(nèi)部的微小缺陷(包括空洞，微裂紋等)時，微小缺陷對應(yīng)的放大器作用就會導(dǎo)致分層。

如何評估汽車HDI PCB制造商

電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展推動了眾多行業(yè)的快速發(fā)展。近年來，電子產(chǎn)品在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。傳統(tǒng)的汽車工業(yè)在機(jī)械，動力，液壓和傳動方面進(jìn)行了更多的努力。但是，現(xiàn)代汽車工業(yè)更多地依賴電子應(yīng)用，而這些電子應(yīng)用在汽車中發(fā)揮著越來越重要和潛在的作用。自動電氣化全部用于處理，感測，信息傳輸和記錄，而沒有印制電路板（PCB）則無法實(shí)現(xiàn)。由于汽車現(xiàn)代化和數(shù)字化的要求，以及人類對汽車安全性，舒適性，簡單操作和數(shù)字化的要求，PCB已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，高密度互連（HDI）PCB，可能帶有跨層盲孔或雙層結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)汽車HDI PCB的高可靠性和安全性，HDI PCB制造商遵循嚴(yán)格的策略和措施，這是本文關(guān)注的。
汽車PCB類型
在汽車電路板中，可以使用傳統(tǒng)的單層PCB，雙層PCB和多層PCB，而近年來HDI PCB的廣泛應(yīng)用已成為汽車電子產(chǎn)品的。普通HDI PCB與汽車HDI PCB之間確實(shí)存在本質(zhì)區(qū)別：前者強(qiáng)調(diào)實(shí)用性和多功能性，為消費(fèi)電子產(chǎn)品提供服務(wù)，而后者則致力于可靠性，安全性和。
有必要說明一下，因?yàn)槠嚭w了汽車，卡車或卡車等各種各樣的汽車，要求對不同的性能期望和功能有不同的要求，所以本文將要討論的法規(guī)和措施只是一些通用規(guī)則，不包括那些規(guī)則。特別案例。
汽車HDI PCB的分類和應(yīng)用
HDI PCB可以分為單層HDI PCB，雙層積層PCB和三層積層PCB.在此，層是指預(yù)浸料的層。
汽車電子產(chǎn)品通常在兩類應(yīng)用：
a.在與車輛的機(jī)械系統(tǒng)（例如發(fā)動機(jī)，底盤和車輛數(shù)字控制）配合使用之前，汽車電子控制設(shè)備將無法有效運(yùn)行，特別是電子燃油噴射系統(tǒng)，防抱死制動系統(tǒng)（ABS），防滑控制（ASC） ，牽引力控制，電子控制懸架（ECS），電子自動變速器（EAT）和電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）。

b.可以在汽車環(huán)境中立使用且與汽車性能無關(guān)的車載汽車設(shè)備包括汽車信息系統(tǒng)或車輛計(jì)算機(jī)，GPS系統(tǒng)，汽車視頻系統(tǒng)，車載通信系統(tǒng)和Internet設(shè)備功能，這些功能由HDI PCB支持的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這些設(shè)備負(fù)責(zé)信號傳輸和大量控制。

對汽車HDI PCB制造商的要求
由于高可靠性和汽車HDI印制電路板的安全性，汽車HDI PCB制造商符合高層次要求：
a.汽車HDI PCB制造商堅(jiān)持在判斷或支持PCB制造商的管理水平中起關(guān)鍵作用的集成管理系統(tǒng)和質(zhì)量管理體系。某些系統(tǒng)在被第三方身份驗(yàn)證之前無法歸PCB制造商所有。例如，汽車PCB制造商通過ISO9001和ISO / IATF16949認(rèn)證。

b.HDI PCB制造商具備扎實(shí)的技術(shù)和較高的HDI制造能力。具體而言，從事汽車電路板制造的制造商制造線寬/間距至少為75μm/75μm且具有兩層結(jié)構(gòu)的電路板。公認(rèn)的是，HDI PCB制造商具有至少1.33的工藝能力指數(shù)（CPK）和至少1.67的設(shè)備制造能力（CMK）。除非獲得客戶的認(rèn)可和確認(rèn)，否則不得在以后的制造中進(jìn)行任何修改。

c.汽車HDI PCB制造商在選擇PCB原材料時遵循嚴(yán)格的規(guī)則，因?yàn)樗鼈冊诖_定終PCB的可靠性和性能中起著關(guān)鍵作用。
汽車HDI PCB的材料要求
?核心板和半固化片。它們是制造汽車HDI PCB的基本，關(guān)鍵的元素。當(dāng)涉及HDI PCB的原材料時，核心板和預(yù)浸料是主要考慮因素。通常，HDI核心板和介電層都相對較薄。因此，一層預(yù)浸料足以在消費(fèi)類HDI板上使用。但是，汽車HDI PCB依賴于至少兩層預(yù)浸料的層壓，因?yàn)槿绻l(fā)生空腔或粘合劑不足，則單層的預(yù)浸料可能會導(dǎo)致絕緣電阻降低。之后，終結(jié)果可能是整個板子或產(chǎn)品的故障。
?阻焊膜。作為直接覆蓋在表面電路板上的保護(hù)層，阻焊層也起著與核心板和預(yù)浸料相同的重要作用。除保護(hù)外部電路外，阻焊層在產(chǎn)品的外觀，質(zhì)量和可靠性方面也起著至關(guān)重要的作用。因此，汽車電路板上的阻焊層符合嚴(yán)格的要求。阻焊膜通過多項(xiàng)有關(guān)可靠性的測試，包括儲熱測試和剝離強(qiáng)度測試。
汽車HDI PCB材料的可靠性測試
合格的HDI PCB制造商絕不會認(rèn)為材料選擇是理所當(dāng)然的。相反，他們對電路板的可靠性進(jìn)行一些測試。有關(guān)汽車HDI PCB材料可靠性的主要測試包括CAF（導(dǎo)電陽極絲）測試，高溫和低溫?zé)釠_擊測試，天氣溫度循環(huán)測試和儲熱測試。
?CAF測試。它用于測量兩個導(dǎo)體之間的絕緣電阻。該測試涵蓋許多測試值，例如層之間的小絕緣電阻，通孔之間的小絕緣電阻，埋孔之間的小絕緣電阻，盲孔之間的小絕緣電阻以及并聯(lián)電路之間的小絕緣電阻。
?高溫和低溫?zé)釠_擊測試。此測試旨在測試小于一定百分比的電阻變化率。具體而言，該測試中提到的參數(shù)包括通孔之間的電阻變化率，埋孔之間的電阻變化率和盲孔之間的電阻變化率。
?氣候溫度循環(huán)測試。被測板需要在回流焊接之前進(jìn)行預(yù)處理。在-40℃±3℃至140℃±2℃的溫度范圍內(nèi)，電路板在低溫度和高溫度下保持15分鐘。結(jié)果，合格的電路板不會發(fā)生層壓，白點(diǎn)或爆炸。

?高溫存儲測試。該測試主要針對阻焊層的可靠性，特別是其剝離強(qiáng)度。就阻焊層的判斷而言，該測試被認(rèn)為是嚴(yán)格的。

根據(jù)以上介紹的測試要求，如果基材或原材料不能滿足客戶要求，則可能會發(fā)生潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，是否對材料進(jìn)行測試可能是確定合格的HDI PCB制造商的關(guān)鍵因素。
可以使用許多策略和措施來判斷汽車HDI PCB制造商，包括材料供應(yīng)商認(rèn)證，過程中的技術(shù)條件以及參數(shù)確定和附件的應(yīng)用等。為尋找可靠的HDI PCB制造商，它們可能是重要的組成部分。確定和判斷其可靠性作為參考。

超實(shí)用的高頻PCB電路設(shè)計(jì)70問答之一
1、如何選擇PCB 板材？

選擇PCB板材在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的 PCB 板子(大于 GHz 的頻率)時這材質(zhì)問題會比較重要。例如，現(xiàn)在常用的 FR-4 材質(zhì)，在幾個GHz 的頻率時的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會對信號衰減有很大的影響，可能就不合用。就電氣而言，要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。



2、如何避免高頻干擾？

避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號電磁場的干擾，也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)。可用拉大高速信號和模擬信號之間的距離，或加 ground guard/shunt traces 在模擬信號旁邊。還要注意數(shù)字地對模擬地的噪聲干擾。



3、在高速設(shè)計(jì)中，如何解決信號的完整性問題？

信號完整性基本上是阻抗匹配的問題。而影響阻抗匹配的因素有信號源的架構(gòu)和輸出阻抗(output impedance)，走線的特性阻抗，負(fù)載端的特性，走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。



4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的？

差分對的布線有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線的長度要盡量一樣長，另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一為兩條線走在同一走線層(side-by-side)，一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者 side-by-side(并排, 并肩) 實(shí)現(xiàn)的方式較多。



5、對于只有一個輸出端的時鐘信號線，如何實(shí)現(xiàn)差分布線？

要用差分布線一定是信號源和接收端也都是差分信號才有意義。所以對只有一個輸出端的時鐘信號是無法使用差分布線的。



6、接收端差分線對之間可否加一匹配電阻？

接收端差分線對間的匹配電阻通常會加, 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號質(zhì)量會好些。



7、為何差分對的布線要靠近且平行？

對差分對的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會不一致, 就會影響信號完整性(signal integrity)及時間延遲(timing delay)。



8、如何處理實(shí)際布線中的一些理論沖突的問題

基本上, 將模/數(shù)地分割隔離是對的。 要注意的是信號走線盡量不要跨過有分割的地方(moat), 還有不要讓電源和信號的回流電流路徑(returning current path)變太大。



晶振是模擬的正反饋振蕩電路, 要有穩(wěn)定的振蕩信號, 滿足loop gain 與 phase 的規(guī)范, 而這模擬信號的振蕩規(guī)范很容易受到干擾, 即使加 ground guard traces 可能也無法完全隔離干擾。而且離的太遠(yuǎn),地平面上的噪聲也會影響正反饋振蕩電路。 所以, 一定要將晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。



確實(shí)高速布線與 EMI 的要求有很多沖突。但基本原則是因 EMI 所加的電阻電容或 ferrite bead, 不能造成信號的一些電氣特性不符合規(guī)范。 所以, 好先用安排走線和 PCB 迭層的技巧來解決或減少 EMI的問題, 如高速信號走內(nèi)層。后才用電阻電容或 ferrite bead 的方式, 以降低對信號的傷害。



9、如何解決高速信號的手工布線和自動布線之間的矛盾？

現(xiàn)在較強(qiáng)的布線軟件的自動布線器大部分都有設(shè)定約束條件來控制繞線方式及過孔數(shù)目。各家 EDA公司的繞線引擎能力和約束條件的設(shè)定項(xiàng)目有時相差甚遠(yuǎn)。 例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對的走線間距等。 這會影響到自動布線出來的走線方式是否能符合設(shè)計(jì)者的想法。 另外, 手動調(diào)整布線的難易也與繞線引擎的能力有的關(guān)系。 例如, 走線的推擠能力,過孔的推擠能力, 甚至走線對敷銅的推擠能力等等。 所以, 選擇一個繞線引擎能力強(qiáng)的布線器, 才是解決之道。



10、關(guān)于 test coupon。

test coupon 是用來以 TDR (Time Domain Reflectometer) 測量所生產(chǎn)的 PCB 板的特性阻抗是否滿足設(shè)計(jì)需求。 一般要控制的阻抗有單根線和差分對兩種情況。 所以， test coupon 上的走線線寬和線距(有差分對時)要與所要控制的線一樣。 重要的是測量時接地點(diǎn)的位置。 為了減少接地引線(ground lead)的電感值， TDR 探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號的地方(probe tip)， 所以， test coupon 上量測信號的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式要符合所用的探棒。



11、在高速 PCB 設(shè)計(jì)中，信號層的空白區(qū)域可以敷銅，而多個信號層的敷銅在接地和接電源上應(yīng)如何分配？

一般在空白區(qū)域的敷銅絕大部分情況是接地。 只是在高速信號線旁敷銅時要注意敷銅與信號線的距離， 因?yàn)樗蟮你~會降低一點(diǎn)走線的特性阻抗。也要注意不要影響到它層的特性阻抗， 例如在 dual strip line 的結(jié)構(gòu)時。

12、是否可以把電源平面上面的信號線使用微帶線模型計(jì)算特性阻抗？電源和地平面之間的信號是否可以使用帶狀線模型計(jì)算？

是的， 在計(jì)算特性阻抗時電源平面跟地平面都視為參考平面。 例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層，這時頂層走線特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線模型。



13、在高密度印制板上通過軟件自動產(chǎn)生測試點(diǎn)一般情況下能滿足大批量生產(chǎn)的測試要求嗎？

一般軟件自動產(chǎn)生測試點(diǎn)是否滿足測試需求看對加測試點(diǎn)的規(guī)范是否符合測試機(jī)具的要求。另外，如果走線太密且加測試點(diǎn)的規(guī)范比較嚴(yán)，則有可能沒辦法自動對每段線都加上測試點(diǎn)，當(dāng)然，需要手動補(bǔ)齊所要測試的地方。



14、添加測試點(diǎn)會不會影響高速信號的質(zhì)量？

至于會不會影響信號質(zhì)量就要看加測試點(diǎn)的方式和信號到底多快而定?；旧贤饧拥臏y試點(diǎn)(不用在線既有的穿孔(via or DIP pin)當(dāng)測試點(diǎn))可能加在在線或是從在線拉一小段線出來。前者相當(dāng)于是加上一個很小的電容在在線，后者則是多了一段分支。這兩個情況都會對高速信號多多少少會有點(diǎn)影響，影響的程度就跟信號的頻率速度和信號緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過仿真得知。原則上測試點(diǎn)越小越好(當(dāng)然還要滿足測試機(jī)具的要求)分支越短越好。



15、若干 PCB 組成系統(tǒng)，各板之間的地線應(yīng)如何連接？

各個 PCB 板子相互連接之間的信號或電源在動作時，例如 A 板子有電源或信號送到 B 板子，一定會有等量的電流從地層流回到 A 板子 (此為 Kirchoff current law)。這地層上的電流會找阻抗小的地方流回去。所以，在各個不管是電源或信號相互連接的接口處，分配給地層的管腳數(shù)不能太少，以降低阻抗，這樣可以降低地層上的噪聲。另外，也可以分析整個電流環(huán)路，尤其是電流較大的部分，調(diào)整地層或地線的接法，來控制電流的走法(例如，在某處制造低阻抗，讓大部分的電流從這個地方走)，降低對其它較敏感信號的影響。



16、能介紹一些國外關(guān)于高速 PCB 設(shè)計(jì)的技術(shù)書籍和數(shù)據(jù)嗎？

現(xiàn)在高速數(shù)字電路的應(yīng)用有通信網(wǎng)路和計(jì)算器等相關(guān)領(lǐng)域。在通信網(wǎng)路方面，PCB 板的工作頻率已達(dá) GHz 上下，疊層數(shù)就我所知有到 40 層之多。計(jì)算器相關(guān)應(yīng)用也因?yàn)樾酒倪M(jìn)步，無論是一般的 PC 或服務(wù)器(Server)，板子上的高工作頻率也已經(jīng)達(dá)到 400MHz (如 Rambus) 以上。因應(yīng)這高速高密度走線需求，盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及 build-up 制程工藝的需求也漸漸越來越多。 這些設(shè)計(jì)需求都有廠商可大量生產(chǎn)。



17、兩個常被參考的特性阻抗公式：

微帶線(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W 為線寬，T 為走線的銅皮厚度，H 為走線到參考平面的距離，Er 是 PCB 板材質(zhì)的介電常數(shù)(dielectric constant)。此公式在0.1<(W/H)<2.0 及 1<(Er)<15 的情況才能應(yīng)用。



帶狀線(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中，H 為兩參考平面的距離，并且走線位于兩參考平面的中間。此公式在 W/H<0.35 及 T/H<0.25 的情況才能應(yīng)用。



18、差分信號線中間可否加地線？

差分信號中間一般是不能加地線。因?yàn)椴罘中盘柕膽?yīng)用原理重要的一點(diǎn)便是利用差分信號間相互耦合(coupling)所帶來的好處，如 flux cancellation，抗噪聲(noise immunity)能力等。若在中間加地線，便會破壞耦合效應(yīng)。



19、剛?cè)岚逶O(shè)計(jì)是否需要設(shè)計(jì)軟件與規(guī)范？國內(nèi)何處可以承接該類電路板加工？

可以用一般設(shè)計(jì) PCB 的軟件來設(shè)計(jì)柔性電路板(Flexible Printed Circuit)。一樣用 Gerber 格式給 FPC廠商生產(chǎn)。由于制造的工藝和一般 PCB 不同，各個廠商會依據(jù)他們的制造能力會對小線寬、小線距、小孔徑(via)有其**。除此之外，可在柔性電路板的轉(zhuǎn)折處鋪些銅皮加以補(bǔ)強(qiáng)。至于生產(chǎn)的廠商可上網(wǎng)“FPC”當(dāng)關(guān)鍵詞查詢應(yīng)該可以找到。



20、適當(dāng)選擇 PCB 與外殼接地的點(diǎn)的原則是什么？

選擇 PCB 與外殼接地點(diǎn)選擇的原則是利用 chassis ground 提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)及控制此回流電流的路徑。例如，通常在高頻器件或時鐘產(chǎn)生器附近可以借固定用的螺絲將 PCB的地層與 chassis ground 做連接，以盡量縮小整個電流回路面積，也就減少電磁輻射。

超實(shí)用的高頻PCB電路設(shè)計(jì)70問答 之二
21.在電路板尺寸固定的情況下，如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走線密度，但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng)，同時走線過細(xì)也使阻抗無法降低，請介紹在高速（>100MHz）高密度 PCB 設(shè)計(jì)中的技巧?

在設(shè)計(jì)高速高密度 PCB 時，串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的，因?yàn)樗鼘r序(timing)與信號完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個注意的地方：

控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。

走線間距的大小。一般?？吹降拈g距為兩倍線寬?？梢酝高^仿真來知道走線間距對時序及信號完整性的影響，找出可容忍的小間距。不同芯片信號的結(jié)果可能不同。

選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?br />
避免上下相鄰兩層的走線方向相同，甚至有走線正好上下重疊在一起，因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。



利用盲埋孔(blind/buried via)來增加走線面積。但是 PCB 板的制作成本會增加。在實(shí)際執(zhí)行時確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長，不過還是要盡量做到。

除此以外，可以預(yù)留差分端接和共模端接，以緩和對時序與信號完整性的影響。

22.電路板 DEBUG 應(yīng)從那幾個方面著手？

就數(shù)字電路而言，先依序確定三件事情： 1. 確認(rèn)所有電源值的大小均達(dá)到設(shè)計(jì)所需。有些多重電源的系統(tǒng)可能會要求某些電源之間起來的順序與快慢有某種規(guī)范。 2. 確認(rèn)所有時鐘信號頻率都工作正常且信號邊緣上沒有非單調(diào)(non-monotonic)的問題。3. 確認(rèn) reset 信號是否達(dá)到規(guī)范要求。 這些都正常的話，芯片應(yīng)該要發(fā)出個周期(cycle)的信號。接下來依照系統(tǒng)運(yùn)作原理與 bus protocol 來 debug。

23、濾波時選用電感，電容值的方法是什么？

電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外，還要考慮瞬時電流的反應(yīng)能力。如 果 LC 的輸出端會有機(jī)會需要瞬間輸出大電流，則電感值太大會阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度，增加紋波噪聲(ripple noise)。電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關(guān)。紋波噪聲值要求越小，電容值會較大。而電容的ESR/ESL 也會有影響。另外，如果這 LC 是放在開關(guān)式電源(switching regulation power)的輸出端時，還要注意此 LC 所產(chǎn)生的極點(diǎn)零點(diǎn)(pole/zero)對負(fù)反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。

24、模擬電源處的濾波經(jīng)常是用 LC 電路。但是為什么有時 LC 比 RC 濾波效果差？

LC與 RC濾波效果的比較考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當(dāng)。因?yàn)殡姼械母锌?reactance)大小與電感值和頻率有關(guān)。如果電源的噪聲頻率較低，而電感值又不夠大，這時濾波效果可能不如 RC。但是，使用 RC 濾波要付出的代價是電阻本身會耗能，效率較差，且要注意所選電阻能承受的功率。

25、如何盡可能的達(dá)到 EMC 要求，又不致造成太大的成本壓力？

PCB 板上會因 EMC 而增加的成本通常是因增加地層數(shù)目以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)及增加了 ferrite bead、choke等抑制高頻諧波器件的緣故。除此之外，通常還是需搭配其它機(jī)構(gòu)上的屏蔽結(jié)構(gòu)才能使整個系統(tǒng)通過 EMC的要求。以下僅就 PCB 板的設(shè)計(jì)技巧提供幾個降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。

盡可能選用信號斜率(slew rate)較慢的器件，以降低信號所產(chǎn)生的高頻成分。

注意高頻器件擺放的位置，不要太靠近對外的連接器。

注意高速信號的阻抗匹配，走線層及其回流電流路徑(return current path)， 以減少高頻的反射與輻射。


在各器件的電源管腳放置足夠與適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀跃徍碗娫磳雍偷貙由系脑肼?。特別注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性是否符合設(shè)計(jì)所需。



對外的連接器附近的地可與地層做適當(dāng)分割，并將連接器的地就近接到 chassis ground。

可適當(dāng)運(yùn)用 ground guard/shunt traces 在一些特別高速的信號旁。但要注意 guard/shunt traces 對走線特性阻抗的影響。

電源層比地層內(nèi)縮 20H，H 為電源層與地層之間的距離。