第4-1工藝可靠性設(shè)計(jì)

第4章印刷電路板的可靠性設(shè)計(jì)1本章概要基本概念PCB布局PCB布線PCB熱設(shè)計(jì)其它等效于連線、電纜、接插件半導(dǎo)體器件天線傳輸線接收機(jī)/發(fā)射機(jī)4.1概念

PCB上的干擾源

GNDISignalRadiatedEmissionGNDWirePCBI/OCable1cmGNDPlaneorGrid共模輻射(單極型)差模輻射(環(huán)路型)PCB4.1基本概念

差模輻射與共模輻射

4.2基本概念

干擾與被干擾

產(chǎn)生干擾的器件被干擾的器件4.2PCB布局

按功能分塊

模擬電路區(qū):怕干擾數(shù)字電路區(qū):既怕干擾，又產(chǎn)生干擾電源電路區(qū):產(chǎn)生較大干擾接口電路區(qū):產(chǎn)生較小干擾濾波與屏蔽區(qū):抑制干擾4.2PCB布局

按信號(hào)類型分塊

4.2PCB布局

按工作頻率分塊

ConnectorConnectorConnectorConnectorCableCableCableCableHigh-speedcomponentsMedium-speedcomponentsSlow-speedcomponents方案1：高速電路引線較短方案2：高速電路對(duì)外輻射較弱多層板>雙面板>單面板，可縮短引線，加強(qiáng)屏蔽（4層板比雙面板噪聲低20dB，6層板比4層板噪聲低10dB），但成本上升速度最快的關(guān)鍵信號(hào)層靠近接地面，對(duì)干擾不敏感的非關(guān)鍵信號(hào)層靠近電源面電源面與接地層相鄰，以產(chǎn)生一個(gè)整板面積的大的電源濾波電容。對(duì)介電常數(shù)4.7、厚度0.1mm、面積10cm見(jiàn)方的玻璃環(huán)氧樹(shù)脂板，電容約為4000pF4.2PCB布局

分層方法(1)

4.2PCB布局

分層方法(2)

四層板六層板4.2PCB布局

接地面的作用

CircuitComponentOVTrackSignalTrackInsulationMaterialDoublesidedBoardCircuitComponentInsulation

MaterialCopperGroundPlaneBoard:20-30dBbetterSignalTrackCopperGround

Plane(OV)不同的電路區(qū)使用不同的接地島，且電源線、地線分別引出，最好使用不同的LC濾波器4.2PCB布局

接地面的分割

4.2PCB布局

接地面的完整性

接地面上盡量少開(kāi)通孔，空隙也要盡可能地少，以避免增加接地阻抗I/O驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件，使信號(hào)盡早引出或引入石英晶體振蕩器外殼要接地，位置要盡量靠近時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器時(shí)鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。時(shí)鐘產(chǎn)生器（頻率最高處）盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件（如CPU時(shí)鐘輸入端）元器件盡量按電路圖順序緊湊排列，以縮短引線多級(jí)放大器成直線排列，輸入級(jí)與輸出級(jí)盡量遠(yuǎn)離對(duì)稱（差分，橋式）電路的元器件盡量對(duì)稱排列，使分布參數(shù)對(duì)稱電壓、電流差別大的器件盡量遠(yuǎn)離，以避免產(chǎn)生干擾甚至打火大而重的元器件應(yīng)安放在PCB固定支架附近，以提高PCB的固有頻率及增加防振能力高速線的串聯(lián)電阻盡量靠近線的驅(qū)動(dòng)端，而非接收端4.2PCB布局

其它布局規(guī)則

單點(diǎn)接地、單點(diǎn)接電源線（避免電源環(huán)路和地線環(huán)路）電源濾波與電源去耦4.2PCB布局

設(shè)計(jì)實(shí)例

每個(gè)VLSI芯片的GND與VDD間應(yīng)接去耦電容去耦電容的位置應(yīng)盡量靠近芯片，而且芯片與去耦電容之間的線應(yīng)盡量短而粗4.2PCB布局去耦電容(1)去耦電容應(yīng)接在同一芯片的電源線與地線之間去耦電容最好與高速芯片處于同一PCB層中4.2PCB布局去耦電容(2)盡量縮短電容引線，以減少引線電感4.2PCB布局去耦電容(3)4.2PCB布局去耦電容(4)遠(yuǎn)離易出現(xiàn)高溫或者高耗能的器件（大電阻、散熱器等）遠(yuǎn)離易出現(xiàn)高壓、高頻和浪涌干擾的設(shè)備（電動(dòng)機(jī)、變壓器等）遠(yuǎn)離易積累灰塵、異物的區(qū)域遠(yuǎn)離易形成靜電的地方（如操作人員可直接觸摸到的地方，金屬物體等）發(fā)熱量大的器件盡可能靠近容易散熱的表面盡量減少連線、接觸點(diǎn)的數(shù)目（盡量不采用IC座，盡量采用SMT）4.2PCB布局

微電子器件在整機(jī)中的位置

厚度：太厚易形成線間干擾，太薄則易引起擦傷和刻蝕寬度：盡量大，取決于載流量、溫升和電壓降，一般PCB導(dǎo)線的工作溫度<85℃長(zhǎng)度：盡量短，以減少走線電阻與電感，特別是時(shí)鐘振蕩電路、快速開(kāi)關(guān)電路和大電流支路間距：盡量大，以減少串?dāng)_4.3PCB布線

走線尺寸

4.3PCB布線

走線電感與尺寸的關(guān)系

實(shí)例減少走線電感的方法走線短而粗采用整層接地面采用多個(gè)接地孔縮短PCB板的配線長(zhǎng)度每個(gè)過(guò)孔有1-4nH的寄生電感和0.3-0.8pF的寄生電容，所以越少越好高速信號(hào)通道上，過(guò)孔應(yīng)盡可能的少，速度最高的時(shí)鐘線上最好無(wú)過(guò)孔對(duì)于高速的并行線（如地址和數(shù)據(jù)線），每根信號(hào)線的過(guò)孔數(shù)最好一樣4.3PCB布線

過(guò)孔(Via)接地面上通孔的布置應(yīng)使回流通路盡可能地短4.3PCB布線

拐角(Turn)走線避免急劇的彎曲和尖角，以避免電場(chǎng)集中和高頻信號(hào)發(fā)射高速走線的尖銳拐角會(huì)導(dǎo)致線特征阻抗的突然變化，造成信號(hào)的不期望的反射圓弧角>45度角>90度角，拐角規(guī)則如下右任何信號(hào)線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路面積應(yīng)盡量小，以防電磁發(fā)射4.3PCB布線

環(huán)路(Loop)4.3PCB布線

如何減少環(huán)路面積(1)4.3PCB布線

如何減少環(huán)路面積(2)電源線緊靠地線，使電源線與地線形成的環(huán)路面積最小4.3PCB布線

如何減少環(huán)路面積(3)并聯(lián)導(dǎo)線應(yīng)合并4.3PCB布線

如何減少環(huán)路面積(4)較差較好多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)絡(luò)狀不要出現(xiàn)懸浮的導(dǎo)電島，若為散熱與屏蔽，應(yīng)接地大面積銅箔鏤空成柵條狀，可以提高附著力（否則銅箔受熱可能膨脹脫落），但需均勻分布4.3PCB布線

導(dǎo)電島(Island)

所有元件應(yīng)盡量緊靠在一起，不要過(guò)于分散相互之間連線較多的元件要靠在一起（如I/O器件與I/O連接器之間）從線路板中心饋送電源或信號(hào)，而不要從邊緣（特別是正方形PCB板）引入4.3PCB布線

如何使導(dǎo)線盡量短

4.3PCB布線

高頻線加緩沖器電源線盡量靠近地線，以加強(qiáng)電源線與地線間的電容耦合電源線與地線要么并排平行地放在PCB的同一層上，要么放在相鄰的兩層電源線與地線之間接入旁路電容，旁路電容的間距不能大于8cm

電源線、地線要盡量的粗，大于正常線寬3倍以上必要時(shí)，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)將PCB的空余部分全部填以地線4.3PCB布線

電源線與地線

NoisyAnalogDigital4.3PCB布線

地線網(wǎng)絡(luò)

所有信號(hào)線與地線的間距不要超過(guò)13mm

對(duì)于特別敏感且較長(zhǎng)的信號(hào)線，應(yīng)每隔一定間隔與其地線對(duì)調(diào)公共地線布置在PCB板邊緣，與邊緣的間距不小于板厚地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀.在任意一個(gè)方向上,垂直地線與水平地線至少每隔6cm連接一次(雙面板則擱一個(gè)過(guò)孔)PCB上的非絕緣機(jī)殼地線必須與其它走線相距至少2.2mm

機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)其寬度的五倍使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少2cm以上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迭在一起，因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。4.3PCB布線

信號(hào)線與地線

信號(hào)線與地線實(shí)例1網(wǎng)狀地線：高頻數(shù)字電路梳狀地線：低頻模擬電路數(shù)?；旌想娐返鼐€布局信號(hào)線與地線實(shí)例2載體性質(zhì)不同的信號(hào)線（如輸入線與輸出線）不宜平行及相鄰，以減少串?dāng)_，如必須平行，最好加線間地線關(guān)鍵的信號(hào)線盡量短，盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地線盡量不要使用IC插座，把IC直接焊在印刷板上，因IC座有較大的分布電容時(shí)鐘電路通常是最主要的發(fā)射源。時(shí)鐘走線盡量短，最好無(wú)過(guò)孔時(shí)鐘區(qū)周圍環(huán)以地線，下面不要走線時(shí)鐘區(qū)垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小。時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O線印刷板過(guò)大、或信號(hào)線頻率過(guò)高，使得線上的延遲時(shí)間大于等于信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行弱信號(hào)引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來(lái)

信號(hào)線與時(shí)鐘區(qū)盡量縮短高頻電路的連線（特別是時(shí)鐘線）減少短截線（在高速通道上可能成為輻射天線）對(duì)于敏感元件和I/O端口使用保護(hù)環(huán)和填充地（保護(hù)環(huán)單點(diǎn)接地）4.3PCB布線

如何降低空間輻射(1)4.3PCB布線

如何降低空間輻射(2)盡可能選用信號(hào)斜率(slewrate)較慢的器件，以降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分高頻器件擺放的位置不要太靠近對(duì)外的連接器對(duì)高速信號(hào)要進(jìn)行阻抗匹配，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晫?duì)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機(jī)箱地電源層比地層內(nèi)縮20H，H為電源層與地層之間的距離。電源平面不能重疊，應(yīng)用公共地線隔離（防止系統(tǒng)噪聲與電源耦合）不同層的布線盡可能正交或大角度交叉，以防線間寄生耦合電源去耦元件應(yīng)盡量靠近IC的電源線4.3PCB布線

設(shè)計(jì)技巧2高輸入阻抗放大器的輸入端應(yīng)加隔離環(huán)，以防漏電引起的噪聲與漂移（注意隔離環(huán)接的節(jié)點(diǎn)不同）閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出4.3PCB布線

放大器的輸入保護(hù)4.3PCB布線