PCB技術(shù)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)

1、PCB技術(shù)簡介1議題 簡介歷史沿革PCB的分類各種PCB特點(diǎn)介紹PCB設(shè)計(jì)簡介高速PCB設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)發(fā)展趨勢 2簡介 PCB（printed circuit board），即印制電路板是在絕緣基材上，按預(yù)定設(shè)計(jì)，制成印制線路，印制元件或由兩者組合而成的導(dǎo)電圖形后制成的板。它作為元器件的支撐，并且提供系統(tǒng)電路工作所需要的電氣連接，是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品小型化、輕量化、裝配機(jī)械化和自動化的重要基礎(chǔ)部件，在電子工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。本講義主要介紹手機(jī)PCB的應(yīng)用特點(diǎn)。3歷史沿革 PCB誕生于上世紀(jì)四、五十年代,發(fā)展于上世紀(jì)八、九十年代。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，印刷電路板向著高密度,細(xì)導(dǎo)線,更多層數(shù)的方向

2、發(fā)展，其設(shè)計(jì)技術(shù)也從最初的手工繪制發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)和電子設(shè)計(jì)自動化（EDA).4手機(jī)PCB的分類按所用基材的機(jī)械特性?？梢苑譃閯傂噪娐钒?Rigid PCB） 、柔性電路板（Flex PCB）以及剛性柔性結(jié)合的電路板(FlexRigid PCB)按導(dǎo)體圖形的層數(shù)可分為單面/雙面和多層印制板。手機(jī)中的電路板多為高密度互連多層電路板（high density integrated board)。5剛性PCB介紹剛性PCB的通常使用紙質(zhì)基材或玻璃布基材覆銅板制成，裝配和使用過程不可彎曲。手機(jī)中使用的剛性板多為多層板。手機(jī)中用到的剛性多層板又可分為普通多層板，帶有激光孔的多層板和特殊結(jié)構(gòu)

3、多層板如（ALIVH等）剛性板的特點(diǎn)是可靠性高，成本較低，但應(yīng)用的靈活性差6普通多層板結(jié)構(gòu)圖普通多層板一般指只帶有機(jī)械孔的多層板 7普通多層板介紹機(jī)械鉆孔可以貫穿所有線路層（通孔）或只貫穿部分線路層（盲，埋孔）線寬線距最小0.1mm。機(jī)械鉆孔一般孔徑大于0.2mm優(yōu)點(diǎn)：成本低，加工周期短缺點(diǎn)：鉆孔較大，布線密度比較低 適用于比較簡單的電路，目前應(yīng)用787方案二lcd板、WCDMA項(xiàng)目 lcd板等 8帶有激光孔的多層板示例一RCC layer layer 2-3, 4-59結(jié)構(gòu)示例二RCC layerCore10結(jié)構(gòu)示例三RCC layerCore11結(jié)構(gòu)示例四12激光孔的多層板小結(jié)激光鉆孔精度

4、高，電鍍后性能可靠鉆孔直徑可小于0.1mm，節(jié)省pcb的表面安裝面積，走線密度較高目前能夠加工的廠家比較多。根據(jù)電路的復(fù)雜程度可以選擇不同的疊層結(jié)構(gòu)，易于控制成本目前機(jī)型：C2198、C389、C399、CP389、C668、C797lcd板、CM-3、CM-4等13Alivh結(jié)構(gòu)Any Layer Interstitial Via Hole 全層填隙式通路孔結(jié)構(gòu)14Alivh特性（優(yōu)點(diǎn)）孔徑0.2mm或更小，但是使用銅粉塞孔后可大量節(jié)省表面積導(dǎo)通孔上焊盤，部品安裝盤可以與導(dǎo)通孔共用任意過孔、任意走線，設(shè)計(jì)自由靈活，開發(fā)周期短走線密度大，有利于設(shè)備的小型化，目前應(yīng)用機(jī)型C3698系列、C777

5、系列、SP1、WCDMA15Alivh特性（缺點(diǎn)）海外采購、成本較高專利技術(shù)掌握在少數(shù)廠家手里，供應(yīng)商比較少目前能夠生產(chǎn)的只有日本的幾家大公司，如松下、CMK、日立等16柔性板簡介柔性板（fpc）是使用可撓性基材制成的電路板，成品可以立體組裝甚至動態(tài)應(yīng)用柔性板加工工序復(fù)雜，周期較長柔性板的優(yōu)勢在于應(yīng)用的靈活，但是其布線密度仍然無法和剛性板相比柔性板的主要成本取決于其材料成本目前應(yīng)用的機(jī)型有C2198、C777、C797等17柔性板的材料（一）由銅箔+膠+基材組合而成也有無膠基材即僅銅箔+基材，其價格較高，在目前應(yīng)用較少18柔性板的材料（二）Copper foil銅箔分為壓延銅和電解銅兩種，壓延

6、銅在彎折特性方面有較好的特性，厚度一般在0.5到2OZ。（1Oz35微米）Base film（基材）Coverlay（覆蓋模）的材料一般為PI，是一種耐熱的樹脂材料其他材料還有膠、油墨、銀漿等19單層柔性板結(jié)構(gòu)20雙層柔性板結(jié)構(gòu)21多層柔性板結(jié)構(gòu)22柔性板設(shè)計(jì)要點(diǎn)單面銅箔的彎折特性強(qiáng)于雙面銅箔，在彎折特性要求較高的情況下使用單面銅箔多層板動態(tài)彎折區(qū)域要各層分開，使各層板之間應(yīng)力最小電路設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，外形設(shè)計(jì)是柔性板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵23軟硬結(jié)合板介紹（一）剛撓多層印制板（flex-rigid multilayer printed board）作為一種特殊的互連技術(shù)，能夠減少電子產(chǎn)品的組裝尺寸

7、、重量，實(shí)現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝，以及具有輕、薄、短、小的特點(diǎn)，但剛撓印制板也存在工藝復(fù)雜，制作成本高以及不易更改和修復(fù)等缺點(diǎn) 24軟硬結(jié)合板介紹（二）剛撓印制板是在撓性印制板上再粘結(jié)兩個（或兩個以上）剛性層，剛性層上的電路與撓性層上的電路通過金屬化孔相互連通。每塊剛撓性印制板有一個或多個剛性區(qū)和一個或多個撓性區(qū)25軟硬結(jié)合板介紹（C3698）26C3698的設(shè)計(jì)特點(diǎn)四層板，柔性部分二層單面板，動態(tài)區(qū)域?yàn)榉珠_的兩層剛性層夾在兩層柔性板中間，材料為普通FR4線寬線距為0.1mm，通孔結(jié)構(gòu)彎折次數(shù)8萬次以上27軟硬結(jié)合板介紹（C777）28C777的設(shè)計(jì)特點(diǎn)復(fù)雜的立體組裝要求導(dǎo)致超長的開發(fā)周期

8、軟硬結(jié)合板與帶有激光孔的HDI的結(jié)合軟板部分分別為四層和二層的互相分離的單面板硬板部分為帶有激光盲孔的六層結(jié)構(gòu)彎折次數(shù)達(dá)到8萬次以上超復(fù)雜的設(shè)計(jì)導(dǎo)致極高的加工成本29軟硬結(jié)合板小結(jié)軟硬結(jié)合板擁有柔性板在3D組裝和動態(tài)應(yīng)用方面的優(yōu)勢，又有剛性PCB布線密度高，可靠性高等特點(diǎn)但是由于軟硬結(jié)合板的材料和生產(chǎn)工藝技術(shù)都掌握在少數(shù)日本企業(yè)手中，導(dǎo)致采購成本極高軟硬板在使用硬板、FPC和連接器代替后成本大幅下降，同時可靠性和靈活性方面也有損失軟硬結(jié)合板代表柔性電路的發(fā)展方向30PCB的設(shè)計(jì) 印制板的設(shè)計(jì)決定印制板的固有特性，在一定程度上也決定了印制板的制造、安裝和維修的難易程度，同時也影響印制板的可靠性和

9、成本。所以在設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循以下基本原則，綜合考慮各項(xiàng)要素，才能取得較好的設(shè)計(jì)效果。 31PCB設(shè)計(jì)的原則電氣連接的準(zhǔn)確性電路板的可測試性可靠性和環(huán)境適應(yīng)性工藝性(可制造性)經(jīng)濟(jì)性等32PCB設(shè)計(jì)流程（一）建立元器件封裝庫原理圖輸入網(wǎng)表生成PCB疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料工藝選擇PCB外形設(shè)計(jì)器件布局布線設(shè)計(jì) 規(guī)則檢查33PCB設(shè)計(jì)流程（二）工藝性設(shè)計(jì)拼板設(shè)計(jì)CAM數(shù)據(jù)輸出 34高速高速設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)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)的工作頻率已經(jīng)達(dá)到百兆甚至千兆的數(shù)量級。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)

10、知識，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無法工作。35什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45MHZ50MHZ，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），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)。36電源完整性電源完整性（Power Integrity，簡稱PI）當(dāng)大量芯片內(nèi)的電路輸出級同時動作時，會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這時由于供電線路上的電阻電感的

11、影響，電源線上和地線上電壓就會波動和變化 良好的電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是電源完整性的保證37電源完整性設(shè)計(jì)使用電源平面代替電源線，降低供電線路上的電感和電阻電源平面和地平面相鄰，電源和地緊密耦合放置旁路電容下，1F10F 電容放置在電路板的電源輸入上，而0.01F 0.1F 電容則放置在電路板的每個有源器件的電源引腳和接地引腳上。保證大電流器件電源的回流路徑暢通無阻38信號完整性信號完整性（Signal Integrity,簡稱SI）是指在信號線上的信號質(zhì)量。高速電路的傳輸線效應(yīng)導(dǎo)致信號完整性下降，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、判斷出錯等問題信號完整性是高速電路設(shè)計(jì)和仿真的熱點(diǎn)，但是其中許多問題尚無定論39信號完

12、整性問題信號完整性問題反射信號Reflected signals延時和時序錯誤Delay & Timing errors過沖與下沖Overshoot/Undershoot串?dāng)_Induced Noise (or crosstalk)電磁輻射EMI radiation40信號的反射與震鈴傳輸線沒有被正確終端匹配，來自驅(qū)動端的信號在接收端被反射，引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號輪廓失真。如果驅(qū)動端的阻抗與傳輸線不匹配，反射信號被反射到接收端，這樣循環(huán)就會發(fā)生震鈴現(xiàn)象反射信號的強(qiáng)度按照如下公式，其大小取決于阻抗的不連續(xù)程度41信號反射的預(yù)防措施嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度，減小傳輸線效應(yīng)通過合理的終端匹配

13、避免阻抗的不連續(xù)分布通過調(diào)整走線寬度，介質(zhì)厚度等控制走線的特征阻抗42信號的延時和時序錯誤傳輸線信號延時和時序錯誤表現(xiàn)為：信號在邏輯電平的高、低之間保持一段時間不跳變，造成器件的邏輯誤動多數(shù)情況下一個網(wǎng)絡(luò)有一個驅(qū)動端和多個接收端，必須嚴(yán)格控制各個接收端信號到達(dá)的有效的時間差（skew），確保在最壞的情況下能構(gòu)正常工作43過沖和欠沖過沖是指信號的電平超過邏輯門的最大工作閾值或小于邏輯門最小工作閾值；欠沖是指信號的電平小于邏輯門的最大工作閾值或大于邏輯門的最小工作閾值過沖和欠沖會造成多次邏輯誤動的錯誤出現(xiàn)鉗位電路改善過沖欠沖，但是在高速的情況下很難實(shí)現(xiàn)，但是良好的阻抗匹配可以有效的解決過沖欠沖問題

14、44邏輯開關(guān)的錯誤翻轉(zhuǎn)示意45串?dāng)_當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)上有信號通過時，由于電磁耦合的作用會在相鄰的網(wǎng)絡(luò)上感應(yīng)出相關(guān)的信號的現(xiàn)象成為串?dāng)_由于串繞是電磁耦合形成的，故又可分為感性耦合和容性耦合干擾源電流變化引起的磁場變化耦合到被干擾對象上產(chǎn)生感應(yīng)電壓干擾源電壓變化引起的電場變化耦合到被干擾對象上產(chǎn)生感應(yīng)電流46串繞影響最小化的方法電容和電感的串?dāng)_隨負(fù)載阻抗的增加而增加，因此所有易受串?dāng)_影響的線路都應(yīng)當(dāng)端接線路阻抗。分離信號線路，可以減少信號線路間電容性耦合的能量。利用地線分離信號線路，可以減少電容的耦合。為了提高有效性，地線應(yīng)每隔/4 與地層連接。解決電感的串?dāng)_問題，應(yīng)當(dāng)盡可能地減小環(huán)路的大小，可能情況下，

15、應(yīng)消除環(huán)路。避免信號返回線路共享共同的路徑，也可以減少電感串?dāng)_。47 EMC與EMIEMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，EMC(Electro-Magnetic Compatibility)即電磁兼容當(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，這種電磁波會對系統(tǒng)的其他電路或者其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾電磁兼容是對電子系統(tǒng)電磁干擾特性方面的要求：不干擾其他系統(tǒng)；對其他系統(tǒng)的電磁發(fā)射不敏感；對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生感干擾減小EMI的方法有：屏蔽、濾波、消除電流環(huán)路，可能時降低器件速度。48EMI的抑制方法避免人造環(huán)路，確保各信號線路上任意兩點(diǎn)之間只有一個路徑。盡可能情況下采用電源層方案。地層會自動生成最小的自然電流環(huán)路。采用地線層時，一定要保證信號返回線路路徑的通暢。一般不推薦在信號線上使用濾波，只有在無法消除信號噪音源時，才在信號線上考慮濾波。濾波有三種選擇：旁路電容、EMI 濾波器和磁珠。在滿足系統(tǒng)速度要求的情況下盡量選用跳變沿速度較慢的器件可以減少信號的高頻能量輻射49高速電路設(shè)計(jì)參考資料High-Speed Digital System DesignStephen H. Hall &Garrett W. Hall& James A. McCallHigh-speed Digital Design Johnson &