摘要 主要討論了高速電路板的典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的布線要點(diǎn),為設(shè)計(jì)

1、摘要 主要討論了高速電路板的典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的布線要點(diǎn)，為設(shè)計(jì)者提供了一套實(shí)用的參考資料，使設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)工藝要求。1 引言    無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊的日益發(fā)展，信息產(chǎn)品走向高速與高頻化， 電子設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢(shì)也向高頻化發(fā)展，衛(wèi)星系統(tǒng)、移動(dòng)電話接收基站等通信產(chǎn)品都必須用到高頻PCB來(lái)支撐整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。怎樣利用PCB的布線來(lái)保證整個(gè)高頻 系統(tǒng)實(shí)施是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。目前約50 的設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率超過(guò)50MHz，將近20 的設(shè)計(jì)主頻超過(guò)120MHz。當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)完整性問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)鐘達(dá)到120MHz時(shí)，除非使用高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)，否則基于傳統(tǒng)

2、方法設(shè)計(jì)的PCB將無(wú)法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求，達(dá)不到系統(tǒng)的可靠性。1.1 印制電路板的高頻基板材料 高頻基板材料的基本特性    高頻基板材料的介電常數(shù)(Dk)，必須小而且很穩(wěn)定，通常是越小越好，信號(hào)的傳送速率與材料介電常數(shù)的平方根成反比，高介電常數(shù)容易造成信號(hào)傳輸延遲；介 質(zhì)損耗(Df)必須小，這主要影響到信號(hào)傳送的品質(zhì)，介質(zhì)損耗越小使信號(hào)損耗也越?。换迮c銅箔的熱膨脹系數(shù)盡量一致，因?yàn)椴灰恢聲?huì)在冷熱變化中造成銅箔 分離；基板的吸水性要低、吸水性高就會(huì)在受潮時(shí)影響介電常數(shù)與介質(zhì)損耗；其它耐熱性、抗化學(xué)性、沖擊強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等也必須良好。 三種高頻基板物性

3、0;   現(xiàn)階段所使用的環(huán)氧樹脂、PPO樹脂和氟系樹脂這三大類高頻基板材料，以環(huán)氧樹脂成本最便宜，而氟系樹脂最昂貴：而以介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、吸水率和頻率特性考慮，氟系樹脂最佳，環(huán)氧樹脂較差。當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用的頻率高過(guò)10GHz時(shí)，只有氟系樹脂印制板才能適用。表1 三種高頻基板物性比較表物性氟系高分子陶瓷PPO環(huán)氧FR-4介電常數(shù)(Dk)3.00.04-3.380.05-4.4介質(zhì)損耗(Df) 10GHz0.00130.00270.02剝離強(qiáng)度/(N/mm)1.041.052.09熱傳導(dǎo)性(W/m·k)0.50.064頻率范圍300MHz-40GHz800MHz-12GH

4、z300MHz-4GHz溫度范圍/-55-2880-100-50-100傳輸速度(in/s)7.956.955.82吸水性低中高     表1表示三種高頻基板物性 比較表，氟系樹脂高頻基板性能遠(yuǎn)高于其它基板，但其不足之處除成本高外是剛性差及熱膨脹系數(shù)較大。對(duì)于聚四氟乙烯(PTFE)而言，為改善性能用大量無(wú)機(jī) 物(如二氧化硅SiO2)或玻纖布作增強(qiáng)填充材料，來(lái)提高基材剛性及降低其熱膨脹性。另外因聚四氟乙烯樹脂本身的分子惰性，造成不容易與銅箔結(jié)合性差，因 此更需與銅箔結(jié)合面的特殊表面處理。處理方法上有聚四氟乙烯表面進(jìn)行化學(xué)蝕刻或等離子體蝕刻，增加表面粗糙度和

5、活性或者在銅箔與聚四氟乙烯樹脂之間增加一 層粘合膜層提高結(jié)合力，但可能對(duì)介質(zhì)性能有影響。2 高速印制電路板的設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1 避免高速電路的傳輸效應(yīng) 高速電路的傳輸效應(yīng)    通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過(guò)45MHz-50MHz，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量(比如說(shuō)1/3), 就稱為高速電路。實(shí)際上，信號(hào)邊沿的諧波頻率比信號(hào)本身的頻率高，是信號(hào)快速變化的上升沿與下降沿(或稱信號(hào)的跳變)引發(fā)了信號(hào)傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此， 通常規(guī)定如果線傳播延時(shí)大于1/2數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)端的上升時(shí)間， 則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。因

6、此必須避免傳輸線效應(yīng)，防止原邏輯電路信號(hào)被疊加或相抵消而改變。 嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長(zhǎng)度    如果設(shè)計(jì)中有高速跳變的前后沿時(shí)間,就必須考慮到在PCB板上存在傳輸線效應(yīng)的問(wèn)題?，F(xiàn)在普遍使用的很高時(shí)鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問(wèn)題。 解決這個(gè)問(wèn)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(zhǎng)度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50MHz布線長(zhǎng)度應(yīng) 不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過(guò)75MHz布線長(zhǎng)度應(yīng)在1英寸。對(duì)于GaAs芯片最大的布線長(zhǎng)度應(yīng)為0.3英寸。如果超過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就存在傳輸 線的問(wèn)題。 合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

7、    解決傳輸線效應(yīng)的另一個(gè)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(shí)，除非走線分支 長(zhǎng)度保持很短.否則邊沿快速變化的信號(hào)將被信號(hào)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 (daisychain)布線和星形(star)分布。    對(duì)于菊花鏈布線，布線從驅(qū)動(dòng)端開始，依次到達(dá)各接收端。如果使 用串聯(lián)電阻來(lái)改變信號(hào)特性，串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動(dòng)端。在控制走線的高次諧波干擾方面，菊花鏈走線效果最好 但這種走線方式布通率最低，不容易1

8、00布通。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們是使菊花鏈布線中分支長(zhǎng)度盡可能短，安全的長(zhǎng)度值應(yīng)該是：Stub Delay <= Trt*0.1。例如，高速TTL電路中的分支端長(zhǎng)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(hào)接收端信號(hào)的接收是不同步的。    對(duì)于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線從驅(qū)動(dòng)端開始.平行到達(dá)各接受端，可以有效的避免時(shí)鐘信號(hào)的不同步問(wèn)題。 抑止電磁干擾解決信號(hào)完整性問(wèn)題將改善PCB板的電磁兼容性(EMC)  ，其 中非常重要的是保證PCB板有很好的接地。對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)采用一個(gè)信號(hào)層配一個(gè)地線

9、層是十分有效的方法。此外，使電路扳的最外層信號(hào)的密度最小也是減少電碰 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)制作PCB來(lái)實(shí)現(xiàn)。表面積層通過(guò)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(lái)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(huì)增加近一倍，因而可降低PCB的體積。另外還可以利用嚴(yán)格的阻抗和疊層設(shè)計(jì)來(lái)控制線 寬、線間距。減少信號(hào)傳輸線帶來(lái)的效應(yīng)。2.2 高速印制電路板的布線設(shè)計(jì)要點(diǎn) 多層布線    一個(gè)好的疊層結(jié)構(gòu)是對(duì)大多數(shù)信號(hào)整體性問(wèn)題和EMC問(wèn)題的最好防范措施，而高速電路往往集成度較高，布線密 度大，采用多層

10、板既是布線的必需，也是降低干擾的有效手段。有資料顯示同種材料時(shí)四層板要比雙面板的噪聲低20dB。高速信號(hào)的布線麻應(yīng)安排在同一對(duì)信號(hào) 層內(nèi)；除非遇到因SMT器件的連接而不得不違反這一原則。一種信號(hào)的所有走線都應(yīng)有共同的返回路徑(即地線層)。     相 鄰布線的兩個(gè)信號(hào)層看成一對(duì)，元件驅(qū)動(dòng)和接收信號(hào)的接地連接最好能夠直接連接到與信號(hào)布線層相鄰的層面。表層布線寬度按英寸計(jì)，應(yīng)小于按納秒計(jì)的驅(qū)動(dòng)器上 升時(shí)間的三分之一(例如： 高速TTL的布線寬度為1英寸)。如果是多電源供電，在各個(gè)電源金屬線之間必須鋪設(shè)地線層使它們隔開。不能形成電容，以免導(dǎo)致電源之問(wèn)的AC耦合

11、。     高速模擬器件對(duì)數(shù)字噪音比較敏感，因此在兼具模擬和數(shù)字功能的印制電路板上，電源層通常是分離的，使用分離 的電源層時(shí)，務(wù)必注意不要將數(shù)字電路的電源層和模擬電路的電源層重疊在一起。模擬和數(shù)字電源層的分離用于隔離彼此之間的電流，一旦出現(xiàn)電源層的重疊，就將 造成電容的耦合，從而失去隔離的作用。 引線    高速印制電路板上的引線盡量用直線， 需要轉(zhuǎn)折可采用45°折線或圓弧轉(zhuǎn)折，可減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互之間的耦合。    高頻電路器件的管腳間引線越短越好，引線越長(zhǎng)，帶來(lái)的分布電感和電容值越

12、大，會(huì)影響系統(tǒng)的高頻信號(hào)的傳輸，同時(shí)也會(huì)改變電路的特性阻抗，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生反射、震蕩等。     注意避免高速電路信號(hào)線的平行走線，而造成的“交叉干擾”，若無(wú)法避免，可在平行信號(hào)線的反面布置大面積“地”來(lái)大幅度減少干擾 在相鄰的兩個(gè)層，走線方向一定取為互相垂直。     各類信號(hào)線不能形成環(huán)路，如果產(chǎn)生環(huán)路電路，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的干擾。高速信號(hào)布線應(yīng)盡量避免分枝或形成樹樁，而導(dǎo)致的信號(hào)反射和過(guò)沖。采用菊花鏈布線可有效避免環(huán)路的形成，降低對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)雙面板而言，電源線靠近信號(hào)線。 布置旁路電容    

13、所有的系統(tǒng)都會(huì)遇到噪音問(wèn)題. 電源層單獨(dú)無(wú)法消除線路噪音，每個(gè)集成電路塊的附近應(yīng)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)高頻去耦電容。通常情況下1uF-10uF 電容放置在印制電路板的電源輸入 ，而0.01-0.1uF電容則放置在印制電路板的每個(gè)有源器件的電源引腳和接地引腳上。這里旁路電容充當(dāng)?shù)氖菫V波器的角色.大電容( 1OuF)放置在印制電路板的電源輸入上,用以濾波通常由電路板外產(chǎn)生的較低頻信號(hào)(比如60Hz線路頻率)。印制電路板上有源器件產(chǎn)生的噪音諧波范圍在 100MHz以上。每個(gè)芯片上放置的旁路電容(0.1uF)通常比印制電路板間的電容小得多。 過(guò)孔設(shè)計(jì)    高速印制電路板上元件連

14、接過(guò)程中所用到的鍍通孔越少越好，據(jù)測(cè)，一個(gè)鍍通孔可帶來(lái)約0.5pF的分布電容，導(dǎo)致電路的延時(shí)明顯增加。     鍍通孔的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：選擇合理尺寸的鍍通孔.如從4層到10層的電路板常選擇 10mil/20mii(鉆孔/焊盤)或16mil/30mil的鍍通孔較好，對(duì)于高密度的小尺寸的電路板可使用8mil/18mil的鍍通孔。對(duì)于電源 或地線的鍍通孔則可以考慮使用較大尺寸，以減少阻抗。    根據(jù)上圖公式可得，印制電路板的厚度越小可減少鍍通孔的寄生電容，減少對(duì)信號(hào)的不利影響 信號(hào)線盡量走同一層，減少鍍通孔。    電源和地的管腳要就近放置鍍通孔，而鍍通孔與管腳間的引線越短越好，以減少電感的產(chǎn)生 在信號(hào)換層的鍍通孔附近放置一些接地的鍍通孔，為信號(hào)提供最近的回路。表2 旁路電容類型電容器件容值使用范圍瓷片電容器件0.01uF-0.1uF電路板上IC管腳旁路濾波氣體封裝電容器件0.01uF-0.1uF電路板上IC管腳旁路濾波，常與電解電容并聯(lián)使用，增加濾波帶寬。電解電容器件1uF-50uF用于電源級(jí)旁