高速PCB設(shè)計指南之一
篇 PCB布線

在PCB設(shè)計中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設(shè)計過程限定高，技巧細(xì)、工作量大。PCB布線有單面布線、雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前，可以用交互式預(yù)先對要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。
自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般行探索式布線，快速地把短線連通，然后進(jìn)行迷宮式布線，先把要布的連線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。并試著重新再布線，以改進(jìn)總體效果。
對目前高密度的PCB設(shè)計已感覺到貫通孔不太適應(yīng)了，它浪費(fèi)了許多寶貴的布線通道，為解決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅完成了導(dǎo)通孔的作用，還省出許多布線通道使布線過程完成得更加方便，更加流暢，更為完善，PCB 板的設(shè)計過程是一個復(fù)雜而又簡單的過程，要想很好地掌握它，還需廣大電子工程設(shè)計人員去自已體會，才能得到其中的真諦。
1 電源、地線的處理
既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電、地線的布線要認(rèn)真對待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到低限度，以產(chǎn)品的質(zhì)量。
對每個從事電子產(chǎn)品設(shè)計的工程人員來說都明白地線與電源線之間噪音所產(chǎn)生的原因，現(xiàn)只對降低式抑制噪音作以表述：
（1）、眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。
（2）、盡量加寬電源、地線寬度，好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5mm
對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路, 即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用)
（3）、用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用?；蚴亲龀啥鄬影?，電源，地線各占用一層。


2 數(shù)字電路與模擬電路的共地處理
現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路（數(shù)字或模擬電路），而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題，特別是地線上的噪音干擾。
數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整人PCB對外界只有一個結(jié)點(diǎn)，所以在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請注意，只有一個連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計來決定。
3 信號線布在電（地）層上
在多層印制板布線時，由于在信號線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會造成浪費(fèi)也會給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應(yīng)增加了，為解決這個矛盾，可以考慮在電（地）層上進(jìn)行布線。應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層。因為好是保留地層的完整性。


4 大面積導(dǎo)體中連接腿的處理
在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，對連接腿的處理需要進(jìn)行綜合的考慮，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：①焊接需要大功率加熱器。②容易造成虛焊點(diǎn)。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heat shield）俗稱熱焊盤（Thermal），這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的可能性大大減少。多層板的接電（地）層腿的處理相同。

5 布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用
在許多CAD系統(tǒng)中，布線是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過密，通路雖然有所增加，但步進(jìn)太小，圖場的數(shù)據(jù)量過大，這必然對設(shè)備的存貯空間有更高的要求，同時也對象計算機(jī)類電子產(chǎn)品的運(yùn)算速度有的影響。而有些通路是無效的，如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定位孔所占用的等。網(wǎng)格過疏，通路太少對布通率的影響。所以要有一個疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進(jìn)行。
標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù)，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

6 設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）
布線設(shè)計完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則，同時也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：

（1）、線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。
（2）、電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合（低的波阻抗）？在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。
（3）、對于關(guān)鍵的信號線是否采取了佳措施，如長度短，加保護(hù)線，輸入線及輸出線被明顯地分開。
（4）、模擬電路和數(shù)字電路部分，是否有各自立的地線。
（5）后加在PCB中的圖形（如圖標(biāo)、注標(biāo)）是否會造成信號短路。
（6）對一些不理想的線形進(jìn)行修改。
（7）、在PCB上是否加有工藝線？阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標(biāo)志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質(zhì)量。
（8）、多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小，如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。

陶瓷PCB電路板有什么優(yōu)勢呢？
1.為什么要選擇陶瓷電路板？
陶瓷基板，由于散熱性能、載流能力、絕緣性、熱膨脹系數(shù)等，都要大大優(yōu)于普通的玻璃纖維PCB板材，從而被廣泛應(yīng)用于大功率電力電子模塊、航空航天、軍工電子等產(chǎn)品上。
普通PCB通常是由銅箔和基板粘合而成，而基板材質(zhì)大多數(shù)為玻璃纖維（FR-4），酚醛樹脂（FR-3）等材質(zhì)，粘合劑通常是酚醛、環(huán)氧等。在PCB加工過程中由于熱應(yīng)力、化學(xué)因素、生產(chǎn)工藝不當(dāng)?shù)仍?，或者是在設(shè)計過程中由于兩面鋪銅不對稱，很容易導(dǎo)致PCB板發(fā)生不同程度的翹曲。

與普通的PCB使用粘合劑把銅箔和基板粘合在一起的，陶瓷PCB是在高溫環(huán)境下，通過鍵合的方式把銅箔和陶瓷基片拼合在一起的，結(jié)合力強(qiáng)，銅箔不會脫落，可靠性高，在溫度高、濕度大的環(huán)境下性能穩(wěn)定。

2.陶瓷基板的材質(zhì)有哪些？

氮化鋁（AlN）

氮化鋁陶瓷是以氮化鋁粉體為主晶相的陶瓷。相比于氧化鋁陶瓷基板，絕緣電阻、絕緣耐壓更高，介電常數(shù)更低。其熱導(dǎo)率是Al2O3的7~10倍，熱膨脹系數(shù)（CTE）與硅片近似匹配，這對于大功率半導(dǎo)體芯片至關(guān)重要。在生產(chǎn)工藝上，AlN熱導(dǎo)率受到殘留氧雜質(zhì)含量的影響很大，降低含氧量，可明顯提高熱導(dǎo)率。目前工藝生產(chǎn)水平的熱導(dǎo)率達(dá)到170W/(m·K)以上已不成問題。

氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁是陶瓷基板中常用的基板材料，因為在機(jī)械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。按含氧化鋁(Al2O3)的百分?jǐn)?shù)不同可分為：75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化鋁含有量不同，其電學(xué)性質(zhì)幾乎不受影響，但是其機(jī)械性能及熱導(dǎo)率變化很大。純度低的基板中玻璃相較多，表面粗糙度大。純度越高的基板，越光潔、致密、介質(zhì)損耗越低，但是價格也越高。

氧化鈹（BeO）

具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場合，溫度超過300℃后迅速降低，但是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位的。

對比了市面上相同尺寸（100mm×100mm×1mm）、不同材料的陶瓷基板價格：96%氧化鋁9.5元，99%氧化鋁18元，氮化鋁150元，氧化鈹650元，可以看出來不同的基板價格差距也比較大。


3.陶瓷PCB的優(yōu)勢與劣勢？

優(yōu)點(diǎn)：
載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；

更好的散熱性能，低熱膨脹系數(shù)，形狀穩(wěn)定，不易變形翹曲。

絕緣性好，耐壓高，保障人身安全和設(shè)備。

結(jié)合力強(qiáng)，采用鍵合技術(shù)，銅箔不會脫落。

可靠性高，在溫度高、濕度大的環(huán)境下性能穩(wěn)定

缺點(diǎn)：
易碎，這是主要的一個缺點(diǎn)，這也就導(dǎo)致只能制作小面積的電路板。

價格貴， 電子產(chǎn)品的要求規(guī)則越來越多，陶瓷電路板還是用在一些比較的產(chǎn)品上面，低端的產(chǎn)品根本不會使用到。

什么是HDI線路板？
一.什么是HDI板？
HDI板（High Density Interconnector），即高密度互連板，是使用微盲埋孔技術(shù)的一種線路分布密度比較高的電路板。HDI板有內(nèi)層線路和外層線路，再利用鉆孔、孔內(nèi)金屬化等工藝，使各層線路內(nèi)部實現(xiàn)連結(jié)。
二.HDI板與普通pcb的區(qū)別
HDI板一般采用積層法制造，積層的次數(shù)越多，板件的技術(shù)檔次越高。普通的HDI板基本上是1次積層，高階HDI采用2次或以上的積層技術(shù)，同時采用疊孔、電鍍填孔、激光直接打孔等PCB技術(shù)。當(dāng)PCB的密度增加超過八層板后，以HDI來制造，其成本將較傳統(tǒng)復(fù)雜的壓合制程來得低。
HDI板的電性能和訊號正確性比傳統(tǒng)PCB更高。此外，HDI板對于射頻干擾、電磁波干擾、靜電釋放、熱傳導(dǎo)等具有更佳的改善。高密度集成（HDI）技術(shù)可以使終端產(chǎn)品設(shè)計更加小型化，同時滿足電子性能和效率的更高標(biāo)準(zhǔn)。
HDI板使用盲孔電鍍 再進(jìn)行二次壓合，分一階、二階、三階、四階、五階等。一階的比較簡單，流程和工藝都好控制。二階的主要問題，一是對位問題，二是打孔和鍍銅問題。二階的設(shè)計有多種，一種是各階錯開位置，需要連接次鄰層時通過導(dǎo)線在中間層連通，做法相當(dāng)于2個一階HDI。第二種是，兩個一階的孔重疊，通過疊加方式實現(xiàn)二階，加工也類似兩個一階，但有很多工藝要點(diǎn)要特別控制，也就是上面所提的。第三種是直接從外層打孔至第3層（或N-2層），工藝與前面有很多不同，打孔的難度也更大。對于三階的以二階類推即是。

三.HDI板的優(yōu)勢
這種PCB在突顯優(yōu)勢的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速：
1.HDI技術(shù)有助于降低PCB成本;
2.HDI技術(shù)增加了線密度;
3.HDI技術(shù)有利于使用的包裝;
4.HDI技術(shù)具有更好的電氣性能和信號有效性;
5.HDI技術(shù)具有更好的可靠性;
6.HDI技術(shù)在散熱方面更好;
7.HDI技術(shù)能夠改善RFI（射頻干擾）/EMI（電磁干擾）/ESD（靜電放電）;
8.HDI技術(shù)提高了設(shè)計效率;
四.HDI板的材料
對HDI PCB材料提出了一些新的要求，包括更好的尺寸穩(wěn)定性，抗靜電移動性和非膠粘劑。HDI PCB的典型材料是RCC（樹脂涂層銅）。RCC有三種類型，即聚酰亞胺金屬化薄膜，純聚酰亞胺薄膜，流延聚酰亞胺薄膜。
RCC的優(yōu)點(diǎn)包括：厚度小，重量輕，柔韌性和易燃性，兼容性特性阻抗和的尺寸穩(wěn)定性。在HDI多層PCB的過程中，取代傳統(tǒng)的粘接片和銅箔作為絕緣介質(zhì)和導(dǎo)電層的作用，可以通過傳統(tǒng)的抑制技術(shù)用芯片抑制RCC。然后使用非機(jī)械鉆孔方法如激光，以便形成微通孔互連。
RCC推動PCB產(chǎn)品從SMT（表面貼裝技術(shù)）到CSP的發(fā)生和發(fā)展（芯片級封裝），從機(jī)械鉆孔到激光鉆孔，促進(jìn)PCB微通孔的發(fā)展和進(jìn)步，所有這些都成為RCC的HDI PCB材料。
在實際的PCB中在制造過程中，對于RCC的選擇，通常有FR-4標(biāo)準(zhǔn)Tg 140C，F(xiàn)R-4高Tg 170C和FR-4和Rogers組合層壓，現(xiàn)在大多使用。隨著HDI技術(shù)的發(fā)展，HDI PCB材料滿足更多要求，因此HDI PCB材料的主要趨勢應(yīng)該是：
1.使用無粘合劑的柔性材料的開發(fā)和應(yīng)用;
2.介電層厚度小，偏差小;
3 .LPIC的發(fā)展;
4.介電常數(shù)越來越小;
5.介電損耗越來越小;
6.焊接穩(wěn)定性高;
7.嚴(yán)格兼容CTE（熱膨脹系數(shù)）;
五.HDI板制造的應(yīng)用技術(shù)
HDI PCB制造的難點(diǎn)在于微觀通過制造，通過金屬化和細(xì)線。
1.微通孔制造
微通孔制造一直是HDI PCB制造的核心問題。主要有兩種鉆井方法：
a.對于普通的通孔鉆孔，機(jī)械鉆孔始終是其率和低成本的佳選擇。隨著機(jī)械加工能力的發(fā)展，其在微通孔中的應(yīng)用也在不斷發(fā)展。
b.有兩種類型的激光鉆孔：光熱消融和光化學(xué)消融。前者是指在高能量吸收激光之后加熱操作材料以使其熔化并且通過形成的通孔蒸發(fā)掉的過程。后者指的是紫外區(qū)高能光子和激光長度超過400nm的結(jié)果。
有三種類型的激光系統(tǒng)應(yīng)用于柔性和剛性板，即準(zhǔn)分子激光，紫外激光鉆孔，CO 2 激光。激光技術(shù)不僅適用于鉆孔，也適用于切割和成型。甚至一些制造商也通過激光制造HDI。雖然激光鉆孔設(shè)備成本高，但它們具有更高的精度，穩(wěn)定的工藝和成熟的技術(shù)。激光技術(shù)的優(yōu)勢使其成為盲/埋通孔制造中常用的方法。如今，在HDI微通孔中，99％是通過激光鉆孔獲得的。
2.通過金屬化
通孔金屬化的大困難是電鍍難以達(dá)到均勻。對于微通孔的深孔電鍍技術(shù)，除了使用具有高分散能力的電鍍液外，還應(yīng)及時升級電鍍裝置上的鍍液，這可以通過強(qiáng)力機(jī)械攪拌或振動，超聲波攪拌，水平噴涂。此外，在電鍍前增加通孔壁的濕度。
除了工藝的改進(jìn)外，HDI的通孔金屬化方法也看到了主要技術(shù)的改進(jìn)：化學(xué)鍍添加劑技術(shù)，直接電鍍技術(shù)等。
3.細(xì)線
細(xì)線的實現(xiàn)包括傳統(tǒng)的圖像傳輸和激光直接成像。傳統(tǒng)的圖像轉(zhuǎn)移與普通化學(xué)蝕刻形成線條的過程相同。
對于激光直接成像，不需要攝影膠片，而圖像是通過激光直接在光敏膜上形成的。紫外波燈用于操作，使液體防腐解決方案能夠滿足高分辨率和簡單操作的要求。不需要攝影膠片，以避免因薄膜缺陷造成的不良影響，可以直接連接CAD/CAM，縮短制造周期，使其適用于和多種生產(chǎn)。

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

選擇PCB板材在滿足設(shè)計需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計非常高速的 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)?？捎美蟾咚傩盘柡湍M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且驗檫@間距會影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計差分對的重要參數(shù)。需要平行也是因為要保持差分阻抗的一致性。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， 因為所敷的銅會降低一點(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算？

是的， 在計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。計算器相關(guān)應(yīng)用也因為芯片的進(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。因為差分信號的應(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)計是否需要設(shè)計軟件與規(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 PCB 的軟件來設(shè)計柔性電路板(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。

超實用的高頻PCB電路設(shè)計70問答之三

26、當(dāng)一塊 PCB 板中有多個數(shù)/模功能塊時，常規(guī)做法是要將數(shù)/模地分開，原因何在？

將數(shù)/模地分開的原因是因為數(shù)字電路在高低電位切換時會在電源和地產(chǎn)生噪聲，噪聲的大小跟信號的速度及電流大小有關(guān)。如果地平面上不分割且由數(shù)字區(qū)域電路所產(chǎn)生的噪聲較大而模擬區(qū)域的電路又非常接近，則即使數(shù)模信號不交叉，模擬的信號依然會被地噪聲干擾。也就是說數(shù)模地不分割的方式只能在模擬電路區(qū)域距產(chǎn)生大噪聲的數(shù)字電路區(qū)域較遠(yuǎn)時使用。

27、另一種作法是在確保數(shù)/模分開布局，且數(shù)/模信號走線相互不交叉的情況下，整個 PCB板地不做分割，數(shù)/模地都連到這個地平面上。道理何在？

數(shù)模信號走線不能交叉的要求是因為速度稍快的數(shù)字信號其返回電流路徑(return current path)會盡量沿著走線的下方附近的地流回數(shù)字信號的源頭，若數(shù)模信號走線交叉，則返回電流所產(chǎn)生的噪聲便會出現(xiàn)在模擬電路區(qū)域內(nèi)。

28、在高速 PCB 設(shè)計原理圖設(shè)計時，如何考慮阻抗匹配問題？

在設(shè)計高速 PCB 電路時，阻抗匹配是設(shè)計的要素之一。而阻抗值跟走線方式有的關(guān)系，例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會影響走線的特性阻抗值。也就是說要在布線后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的**而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問題的方法還是布線時盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。

29、哪里能提供比較準(zhǔn)確的 IBIS 模型庫？

IBIS 模型的準(zhǔn)確性直接影響到仿真的結(jié)果?；旧?IBIS 可看成是實際芯片 I/O buffer 等效電路的電氣特性數(shù)據(jù)，一般可由 SPICE 模型轉(zhuǎn)換而得 ，而 SPICE 的數(shù)據(jù)與芯片制造有的關(guān)系，所以同樣一個器件不同芯片廠商提供，其 SPICE 的數(shù)據(jù)是不同的，進(jìn)而轉(zhuǎn)換后的 IBIS 模型內(nèi)之?dāng)?shù)據(jù)也會隨之而異。也就是說，如果用了 A 廠商的器件，只有他們有能力提供他們器件準(zhǔn)確模型數(shù)據(jù)，因為沒有其它人會比他們更清楚他們的器件是由何種工藝做出來的。如果廠商所提供的 IBIS 不準(zhǔn)確，只能不斷要求該廠商改進(jìn)才是根本解決之道。

30、在高速 PCB 設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)該從那些方面去考慮 EMC、EMI 的規(guī)則呢？

一般 EMI/EMC 設(shè)計時需要同時考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個方面. 前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(<30MHz). 所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分。一個好的EMI/EMC 設(shè)計一開始布局時就要考慮到器件的位置， PCB 疊層的安排, 重要聯(lián)機(jī)的走法, 器件的選擇等, 如果這些沒有事前有較佳的安排, 事后解決則會事倍功半, 增加成本.。



例如時鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對外的連接器, 高速信號盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射， 器件所推的信號之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分，選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲。另外, 注意高頻信號電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍. 后, 適當(dāng)?shù)倪x擇PCB 與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。

31、如何選擇 EDA 工具？

目前的 pcb 設(shè)計軟件中，熱分析都不是強(qiáng)項，所以并不建議選用，其它的功能 1.3.4 可以選擇 PADS或 Cadence 性能價格比都不錯。 PLD 的設(shè)計的初學(xué)者可以采用 PLD 芯片廠家提供的集成環(huán)境，在做到百萬門以上的設(shè)計時可以選用單點(diǎn)工具。

32、請推薦一種適合于高速信號處理和傳輸?shù)?EDA 軟件。

常規(guī)的電路設(shè)計，INNOVEDA 的 PADS 就非常不錯，且有配合用的仿真軟件，而這類設(shè)計往往占據(jù)了 70%的應(yīng)用場合。在做高速電路設(shè)計，模擬和數(shù)字混合電路，采用 Cadence 的解決方案應(yīng)該屬于性能價格比較好的軟件，當(dāng)然 Mentor 的性能還是非常不錯的，特別是它的設(shè)計流程管理方面應(yīng)該是為的。（大唐電信技術(shù) 王升）

33、對 PCB 板各層含義的解釋

Topoverlay ----頂層器件名稱， 也叫 top silkscreen 或者 top component legend, 比如 R1 C5,

IC10.bottomoverlay----同理 multilayer-----如果你設(shè)計一個 4 層板，你放置一個 free pad or via, 定義它作為multilay 那么它的 pad 就會自動出現(xiàn)在 4 個層 上，如果你只定義它是 top layer, 那么它的 pad 就會只出現(xiàn)在頂層上。



34、2G 以上高頻 PCB 設(shè)計，走線,排版,應(yīng)注意哪些方面？

2G 以上高頻 PCB 屬于射頻電路設(shè)計，不在高速數(shù)字電路設(shè)計討論范圍內(nèi)。而 射頻電路的布局（layout)和布線（routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的，因為布局布線都會造成分布效應(yīng)。而且，射頻電路設(shè)計一些無源器件是通過參數(shù)化定義，特殊形狀銅箔實現(xiàn)，因此要求 EDA 工具能夠提供參數(shù)化器件，能夠編輯特殊形狀銅箔。Mentor 公司的 boardstation 中有的 RF 設(shè)計模塊，能夠滿足這些要求。而且，一般射頻設(shè)計要求有射頻電路分析工具，業(yè)界的是 agilent 的 eesoft，和 Mentor 的工具有很好的接口。

35、2G 以上高頻 PCB 設(shè)計，微帶的設(shè)計應(yīng)遵循哪些規(guī)則?

射頻微帶線設(shè)計，需要用三維場分析工具提取傳輸線參數(shù)。所有的規(guī)則應(yīng)該在這個場提取工具中規(guī)定。

超實用的高頻PCB電路設(shè)計70問答 之四

36、對于全數(shù)字信號的 PCB，板上有一個 80MHz 的鐘源。除了采用絲網(wǎng)（接地）外，為了有足夠的驅(qū)動能力，還應(yīng)該采用什么樣的電路進(jìn)行保護(hù)？

確保時鐘的驅(qū)動能力，不應(yīng)該通過保護(hù)實現(xiàn)，一般采用時鐘驅(qū)動芯片。一般擔(dān)心時鐘驅(qū)動能力，是因為多個時鐘負(fù)載造成。采用時鐘驅(qū)動芯片，將一個時鐘信號變成幾個，采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接。選擇驅(qū)動芯片，除了與負(fù)載基本匹配，信號沿滿足要求（一般時鐘為沿有效信號），在計算系統(tǒng)時序時，要算上時鐘在驅(qū)動芯片內(nèi)時延。

37、如果用單的時鐘信號板，一般采用什么樣的接口，來時鐘信號的傳輸受到的影響小？

時鐘信號越短，傳輸線效應(yīng)越小。采用單的時鐘信號板，會增加信號布線長度。而且單板的接地供電也是問題。如果要長距離傳輸，建議采用差分信號。LVDS 信號可以滿足驅(qū)動能力要求，不過您的時鐘不是太快，沒有必要。

38、27M,SDRAM 時鐘線（80M-90M），這些時鐘線二三次諧波剛好在 VHF 波段，從接收端高頻竄入后干擾很大。除了縮短線長以外，還有那些好辦法？

如果是三次諧波大，二次諧波小，可能因為信號占空比為 50%，因為這種情況下，信號沒有偶次諧波。這時需要修改一下信號占空比。此外，對于如果是單向的時鐘信號，一般采用源端串聯(lián)匹配。這樣可以抑制二次反射，但不會影響時鐘沿速率。源端匹配值，可以采用下圖公式得到。

39、什么是走線的拓?fù)浼軜?gòu)？

Topology,有的也叫 routing order.對于多端口連接的網(wǎng)絡(luò)的布線次序。

40、怎樣調(diào)整走線的拓?fù)浼軜?gòu)來提高信號的完整性？

這種網(wǎng)絡(luò)信號方向比較復(fù)雜，因為對單向，雙向信號，不同電平種類信號，拓樸影響都不一樣，很難說哪種拓樸對信號質(zhì)量有利。而且作前仿真時，采用何種拓樸對工程師要求很高，要求對電路原理，信號類型，甚至布線難度等都要了解。

41、怎樣通過安排疊層來減少 EMI 問題？

，EMI 要從系統(tǒng)考慮，單憑 PCB 無法解決問題。層迭對 EMI 來講，我認(rèn)為主要是提供信號短回流路徑，減小耦合面積，抑制差模干擾。另外地層與電源層緊耦合，適當(dāng)比電源層外延，對抑制共模干擾有好處。



42、為何要鋪銅？

一般鋪銅有幾個方面原因。１，EMC.對于大面積的地或電源鋪銅，會起到屏蔽作用，有些特殊地，如 PGND 起到防護(hù)作用。２，PCB 工藝要求。一般為了電鍍效果，或者層壓不變形，對于布線較少的PCB 板層鋪銅。３，信號完整性要求，給高頻數(shù)字信號一個完整的回流路徑，并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線。當(dāng)然還有散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等等原因。

43、在一個系統(tǒng)中，包含了dsp和 pld，請問布線時要注意哪些問題呢？

看你的信號速率和布線長度的比值。如果信號在傳輸在線的時延和信號變化沿時間可比的話，就要考慮信號完整性問題。另外對于多個 DSP，時 鐘，數(shù)據(jù) 信號走線拓普也會影響信號質(zhì)量和時序，需要關(guān)注。

44、除 protel 工具布線外，還有其他好的工具嗎？

至于工具，除了 PROTEL，還有很多布線工具，如 MENTOR 的 WG2000,EN2000 系列和 powerpcb，Cadence 的 allegro，zuken 的 cadstar,cr5000 等，各有所長。

45、什么是“信號回流路徑”？

信號回流路徑,即 return current。高速數(shù)字信號在傳輸時，信號的流向是從驅(qū)動器沿 PCB 傳輸線到負(fù)載，再由負(fù)載沿著地或電源通過短路徑返回驅(qū)動器端。這個在地或電源上的返回信號就稱信號回流路徑。Dr.Johson 在他的書中解釋，高頻信號傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。SI 分析的就是這個圍場的電磁特性，以及他們之間的耦合。

46、如何對接插件進(jìn)行SI分析？

在 IBIS3.2 規(guī)范中，有關(guān)于接插件模型的描述。一般使用 EBD 模型。如果是特殊板，如背板，需要SPICE 模型。也可以使用多板仿真軟件（HYPERLYNX 或 IS_multiboard），建立多板系統(tǒng)時，輸入接插件的分布參數(shù)，一般從接插件手冊中得到。當(dāng)然這種方式會不夠，但只要在可接受范圍內(nèi)即可。

47、請問端接的方式有哪些？

端接（terminal）,也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯(lián)匹配，終端匹配一般為并聯(lián)匹配，方式比較多，有電阻上拉，電阻下拉，戴維南匹配，AC 匹配，肖特基二極管匹配。

48、采用端接（匹配）的方式是由什么因素決定的？

匹配采用方式一般由 BUFFER 特性，拓普情況，電平種類和判決方式來決定，也要考慮信號占空比，系統(tǒng)功耗等。

49、采用端接（匹配）的方式有什么規(guī)則？

數(shù)字電路關(guān)鍵的是時序問題，加匹配的目的是改善信號質(zhì)量，在判決時刻得到可以確定的信號。對于電平有效信號，在建立、保持時間的前提下，信號質(zhì)量穩(wěn)定；對延有效信號，在信號延單調(diào)性前提下，信號變化延速度滿足要求。Mentor ICX 產(chǎn)品教材中有關(guān)于匹配的一些資料。另外《High Speed Digital design a hand book of blackmagic》有一章對 terminal 的講述，從電磁波原理上講述匹配對信號完整性的作用，可供參考。

50、能否利用器件的 IBIS 模型對器件的邏輯功能進(jìn)行仿真？如果不能，那么如何進(jìn)行電路的板級和系統(tǒng)級仿真？

IBIS 模型是行為級模型，不能用于功能仿真。功能仿真，需要用 SPICE 模型，或者其他結(jié)構(gòu)級模型。