高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)：關(guān)鍵技巧與要點(diǎn)詳解 - ibpcb

 常見問題     |      2023-02-27 17:07:31    |      愛彼電路

電子技術(shù)快速發(fā)展，以及無線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高頻、高速、高密度已逐步成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的顯著發(fā)展趨勢之一。信號(hào)傳輸高頻化和高速數(shù)字化，迫使PCB走向微小孔與埋/盲孔化、導(dǎo)線精細(xì)化、介質(zhì)層均勻薄型化，高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

1、如何選擇PCB板材？
選擇PCB板材必須在滿足設(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(shí)這材質(zhì)問題會(huì)比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4 材質(zhì)，在幾個(gè)GHz 的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗會(huì)對(duì)信號(hào)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)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。專用的高速板材料，例如熱固性碳?xì)浠衔锖蚉TFE層壓板，在更高頻率的設(shè)計(jì)中將比FR-4具有更好，更可靠的性能。首先讓我們看一下高速電路板設(shè)計(jì)材料提供的一些優(yōu)勢：

（1）減少信號(hào)損失。隨著傳輸線頻率的增加，信號(hào)損失成為更大的問題。高速設(shè)計(jì)板材料的耗散系數(shù)比FR-4低得多，其中某些材料（例如近乎純凈的PTFE層壓板）要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些較低的耗散因數(shù)是減少信號(hào)損耗的重要因素。
（2）更嚴(yán)格地控制阻抗。傳統(tǒng)的PCB材料（例如FR-4）不能像高速板材料那樣提供對(duì)介電常數(shù)（Dk）的精確控制。FR-4 Dk的變化范圍為+/- 10％或更多，而諸如PTFE之類的材料將其Dk公差保持在+/- 2％或更高。
（3）更好的熱管理。某些高速設(shè)計(jì)板材料（例如，熱固性烴層壓板）的導(dǎo)熱性比FR-4好得多。如果您的設(shè)計(jì)要處理熱管理問題，那么這些板材料就是要研究的材料。
（4）增加水分吸收。水具有介電特性，即使少量水分吸收到帶有高頻電路的PCB中，也會(huì)改變這些電路的電氣性能。盡管FR-4的吸濕率接近50％，但某些PTFE材料的吸濕率低至2％，應(yīng)考慮解決該問題。
（5）堅(jiān)固的尺寸穩(wěn)定性。對(duì)于具有嚴(yán)格公差的密集高速設(shè)計(jì)，對(duì)尺寸穩(wěn)定性的需求增加。盡管FR-4以其尺寸穩(wěn)定性而聞名，但它缺乏高速材料提供的其他優(yōu)勢。在這種情況下，熱固性烴層壓板可能是更好的選擇。

一般射頻電路在系統(tǒng)中都作為一個(gè)獨(dú)立的單板進(jìn)行布局布線，甚至?xí)袑ｉT的屏蔽腔體。而且射頻電路一般為單面或雙面板，電路較為簡單，所有這些都是為了減少對(duì)射頻電路分布參數(shù)的影響，提高射頻系統(tǒng)的一致性。相對(duì)于一般的FR4 材質(zhì)，射頻電路板傾向與采用高Q值的基材，這種材料的介電常數(shù)比較小，傳輸線分布電容較小，阻抗高，信號(hào)傳輸時(shí)延小。在混合電路設(shè)計(jì)中，雖然射頻，數(shù)字電路做在同一塊PCB上，但一般都分成射頻電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)，分別布局布線之間用接地過孔帶和屏蔽盒屏蔽。

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(hào)電磁場的干擾，也就是所謂的串?dāng)_。可用拉大高速信號(hào)和模擬信號(hào)之間的距離，或加在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。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(shí)走線過細(xì)也使阻抗無法降低，在設(shè)計(jì)高速高密度PCB時(shí)，串?dāng)_確實(shí)是要特別注意的，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)序與信號(hào)完整性有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方：

（1）控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配
走線間距的大小。一般常看到的間距為兩倍線寬。可以透過仿真來知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響，找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。
（2）選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞?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。
（3）利用盲埋孔來增加走線面積。但是PCB板的制作成本會(huì)增加。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)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(duì)時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。

3、在高速PCB設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，如何考慮阻抗匹配問題？
在設(shè)計(jì)高速PCB電路時(shí)，阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系，例如是走在表面層或內(nèi)層，與參考層（電源層或地層）的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會(huì)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(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些端接，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(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。

4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的？
差分信號(hào)，有些也稱差動(dòng)信號(hào)，用兩根完全一樣，極性相反的信號(hào)傳輸一路數(shù)據(jù)，依靠兩根信號(hào)電平差進(jìn)行判決。為了保證兩根信號(hào)完全一致，在布線時(shí)要保持并行，線寬、線間距保持不變。差分對(duì)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，一為兩條線走在上下相鄰兩層。一般以前者并排，并肩實(shí)現(xiàn)的方式較多。

5、差分信號(hào)線中間可否加地線？
差分信號(hào)中間一般是不能加地線。因?yàn)椴罘中盘?hào)的應(yīng)用原理最重要的一點(diǎn)便是利用差分信號(hào)間相互耦合所帶來的好處，如磁通相抵，抗噪聲能力等。若在中間加地線，便會(huì)破壞耦合效應(yīng)。

6、為何差分對(duì)的布線要靠近且平行？
對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫小Ｋ^適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分阻抗的值，此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦浴Ｈ魞删€忽遠(yuǎn)忽近，差分阻抗就會(huì)不一致，就會(huì)影響信號(hào)完整性及時(shí)間延遲。

7、在高密度印制板上通過軟件自動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)是否滿足測試需求必須看對(duì)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(dòng)對(duì)每段線都加上測試點(diǎn)，當(dāng)然，需要手動(dòng)補(bǔ)齊所要測試的地方。

8、添加測試點(diǎn)會(huì)不會(huì)影響高速信號(hào)的質(zhì)量？
至于會(huì)不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量就要看加測試點(diǎn)的方式和信號(hào)到底多快而定。基本上外加的測試點(diǎn)（不用在線既有的穿孔當(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(gè)很小的電容在線，后者則是多了一段分支。這兩個(gè)情況都會(huì)對(duì)高速信號(hào)多多少少會(huì)有點(diǎn)影響，影響的程度就跟信號(hào)的頻率速度和信號(hào)緣變化率有關(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。

9、在布局、布線中如何處理才能保證50M以上信號(hào)的穩(wěn)定性？
高速數(shù)字信號(hào)布線，關(guān)鍵是減小傳輸線對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。因此100M以上的高速信號(hào)布局時(shí)要求信號(hào)走線盡量短。數(shù)字電路中，高速信號(hào)是用信號(hào)上升延時(shí)間來界定的。而且不同種類的信號(hào)（如TTL，GTL，LVTTL），確保信號(hào)質(zhì)量的方法不一樣。

10、什么是信號(hào)回流路徑？
信號(hào)回流路徑，高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)，信號(hào)的流向是從驅(qū)動(dòng)器沿PCB傳輸線到負(fù)載，再由負(fù)載沿著地或電源通過最短路徑返回驅(qū)動(dòng)器端。這個(gè)在地或電源上的返回信號(hào)就稱信號(hào)回流路徑。高頻信號(hào)傳輸，實(shí)際上是對(duì)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(gè)圍場的電磁特性，以及他們之間的耦合。

11、如何對(duì)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，建立多板系統(tǒng)時(shí)，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(huì)不夠精確，但只要在可接受范圍內(nèi)即可。

12、若干PCB組成系統(tǒng)，各板之間的地線應(yīng)如何連接？
各個(gè)PCB板子相互連接之間的信號(hào)或電源在動(dòng)作時(shí)，例如A板子有電源或信號(hào)送到B板子，一定會(huì)有等量的電流從地層流回到A板子。這地層上的電流會(huì)找阻抗最小的地方流回去。所以，在各個(gè)不管是電源或信號(hào)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(gè)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(gè)地方走），降低對(duì)其它較敏感信號(hào)的影響。

13、2G以上高頻PCB設(shè)計(jì)，走線，排版，應(yīng)重點(diǎn)注意哪些方面？
2G 以上高頻PCB屬于射頻電路設(shè)計(jì)，不在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。而 射頻電路的布局和布線應(yīng)該和原理圖一起考慮的，因?yàn)椴季植季€都會(huì)造成分布效應(yīng)。而且，射頻電路設(shè)計(jì)一些無源器件是通過參數(shù)化定義，特殊形狀銅箔實(shí)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。

14、在高速PCB設(shè)計(jì)中，信號(hào)層的空白區(qū)域可以敷銅，而多個(gè)信號(hào)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(hào)線旁敷銅時(shí)要注意敷銅與信號(hào)線的距離，因?yàn)樗蟮你~會(huì)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，例如在雙帶狀線的結(jié)構(gòu)時(shí)。

15、為何要鋪銅？
一般鋪銅有幾個(gè)方面原因。1，EMC對(duì)于大面積的地或電源鋪銅，會(huì)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。一般為了保證電鍍效果，或者層壓不變形，對(duì)于布線較少的PCB板層鋪銅。3，信號(hào)完整性要求，給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)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。

16、PCB仿真軟件是如何進(jìn)行仿真的？
高速數(shù)字電路中，為了提高信號(hào)質(zhì)量，降低布線難度，一般采用多層板，分配專門的電源層，地層。

17、PCB在出廠時(shí)如何檢查是否達(dá)到了設(shè)計(jì)工藝要求？
愛彼電路在PCB加工完成出廠前，都要經(jīng)過加電的網(wǎng)絡(luò)通斷測試，以確保所有聯(lián)線正確。同時(shí)愛彼電路也采用AOI測試，檢查蝕刻或?qū)訅簳r(shí)的一些故障。貼片廠對(duì)于貼片加工后的成品板，一般采用ICT測試檢查，這需要在PCB設(shè)計(jì)時(shí)添加ICT測試點(diǎn)。如果出現(xiàn)問題，也可以通過一種特殊的X光檢查設(shè)備排除是否加工原因造成故障。

18、在芯片選擇的時(shí)候是否也需要考慮芯片本身的ESD問題？
不論是雙層板還是多層板，都應(yīng)盡量增大地的面積。在選擇芯片時(shí)要考慮芯片本身的ESD特性，這些在芯片說明中一般都有提到，而且即使不同廠家的同一種芯片性能也會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)時(shí)多加注意，考慮的全面一點(diǎn)，做出電路板的性能也會(huì)得到一定的保證。但ESD的問題仍然可能出現(xiàn)，因此機(jī)構(gòu)的防護(hù)對(duì)ESD的防護(hù)也是相當(dāng)重要的。

高速設(shè)計(jì)在信號(hào)完整性方面的規(guī)范比其他設(shè)計(jì)更嚴(yán)格。盡管在高速信號(hào)的布線中要格外小心，以滿足這些要求，但必須理解，板材料本身是整個(gè)信號(hào)完整性方程式的一部分。因此，用于高速設(shè)計(jì)的電路板材料需要具有嚴(yán)格公差的介電常數(shù)等屬性，以幫助控制阻抗。如果允許阻抗在整個(gè)設(shè)計(jì)中變化，那么高速信號(hào)將在它們穿過線路時(shí)開始向回反射能量，并且信號(hào)將失真。同樣，期望有低耗散因數(shù)以幫助維持信號(hào)完整性。最后，熱穩(wěn)定性是確保介電性能不會(huì)破壞的另一個(gè)重要特性。愛彼電路是專業(yè)高精密PCB電路板研發(fā)生產(chǎn)廠家,可批量生產(chǎn)4-46層電路板,線路板,,高頻線路板,高速電路板,混壓電路板,HDI線路板等,定位高精密!高難度!高標(biāo)準(zhǔn)!