無(wú)源元件并不是那么被動(dòng)：印刷電路板

晶體管和集成電路等有源元件利用來(lái)自電源的能量改變信號(hào)。然而，電阻器、電容器、電感器和連接器等無(wú)源元件實(shí)際上可以而且確實(shí)會(huì)以意想不到的方式改變信號(hào)。發(fā)生這種情況是因?yàn)樗羞@些無(wú)源元件都包含寄生元件。本應(yīng)用筆記由三部分組成，是系列叢書中的最后一篇，討論了印刷電路板以及由于無(wú)源元件并非真正被動(dòng)而可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

介紹

有時(shí)，隱藏某些東西的最好方法是在眾目睽睽之下。魔術(shù)師使用這種技術(shù)以及一些分散注意力的技巧來(lái)讓觀眾驚嘆不已（圖 1）。其實(shí)很簡(jiǎn)單：我們的經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)我們期待某些規(guī)范，并看到我們的期望。因此，盒子是方形的，而不是壓扁的平行四邊形;球體是對(duì)稱的，不是半球，也不是背面看不見(jiàn)的細(xì)長(zhǎng)部分。從同樣意義上說(shuō)， 印刷電路板 （PCB） 似乎很簡(jiǎn)單.你認(rèn)為你可以看到發(fā)生的一切，但你實(shí)際上只看外表面的電路。事實(shí)上，如果你深入研究電路板本身，你會(huì)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的層和結(jié)構(gòu)以及無(wú)數(shù)可能出錯(cuò)的東西。當(dāng)高精度運(yùn)算放大器和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無(wú)法按預(yù)期工作時(shí)，我們需要仔細(xì)檢查周圍的所有有源和無(wú)源元件，包括PCB。在此上下文中，我們還插入了PCB供應(yīng)商，他的角色低調(diào)，實(shí)際上對(duì)IC性能至關(guān)重要。

本文是IC中無(wú)源元件系列文章的第3部分。在第 1 部分中，我們討論了電容器。在第 2 部分中，我們研究了電阻器，并解釋說(shuō)它們并不是看似簡(jiǎn)單、良性的無(wú)源器件。在第3部分中，我們將討論通常隱藏或至少偽裝的PCB缺陷和錯(cuò)誤如何給IC性能引入被動(dòng)誤差。

要了解PCB如何引入無(wú)源誤差， 我們必須首先檢查典型電路板的組成.PCB問(wèn)題的四個(gè)例子以及解決這些隱藏錯(cuò)誤的努力將幫助我們理解一個(gè)好的可靠的PCB供應(yīng)商對(duì)成功產(chǎn)品的貢獻(xiàn).

我們?cè)谶@里承認(rèn)，我們關(guān)于被動(dòng)的文章引發(fā)了一些關(guān)于“被動(dòng)”定義的熱烈討論。在我們尋求更多知識(shí)和更知情的工程師的過(guò)程中，我們對(duì)此感到非常高興。

被動(dòng)觀看 - 看到我們的期望

你注意到PCB組裝了嗎？是的？不？它在女人左側(cè)的陰影中。是的，我們看到了我們期望看到的。當(dāng)我們檢查PCB時(shí)也是如此.當(dāng)您直接查看典型的電路板時(shí)，您會(huì)看到什么？

如果您像我們大多數(shù)人一樣，我們會(huì)看到一個(gè)以太網(wǎng)連接器，另一個(gè)帶有“設(shè)置傳感器”、“UPS 數(shù)據(jù)”和“RS-45”標(biāo)簽的 RJ-232 連接器。我們看到一個(gè)電感器和用于開關(guān)電源的電解電容器，幾個(gè)大型集成電路（IC）和一堆去耦電容器。將所有這些放在一起，它可能是一個(gè)具有多種選擇的數(shù)字板，因?yàn)槲覀冞€可以看到未填充的組件。右？是的， 但我們并沒(méi)有真正看到裸露的 PCB 本身， 這就是這個(gè)故事開始的地方.

正如我們?cè)陂_始時(shí)所說(shuō)， 像 PCB 這樣復(fù)雜的東西可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)問(wèn)題.經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一個(gè)好的， 可靠的PCB供應(yīng)商現(xiàn)在對(duì)我們非常重要.材料有很多選擇，F(xiàn)R4中的編織密度，聚合物，通孔結(jié)構(gòu)，給定蝕刻方法的最小跡線結(jié)構(gòu)，錫板和阻焊層選擇。我們可能會(huì)指定難以找到的 FR4 （一種常見(jiàn)的玻璃纖維 PCB） 材料，因?yàn)槲覀兏矚g它， 但缺乏可用的 FR4 材料可能會(huì)延遲生產(chǎn)，甚至使電路板成本翻倍.我們受人尊敬的PCB供應(yīng)商將了解資源，可用的通孔施工方法，或?yàn)槲覀兊膽?yīng)用推薦的組裝方法。這種關(guān)系絕對(duì)不是被動(dòng)的。當(dāng)我們告訴供應(yīng)商我們關(guān)心董事會(huì)質(zhì)量時(shí)，他會(huì)以同樣的方式回報(bào)。

沒(méi)有魔杖構(gòu)建板

是的，電路板——你從玻璃纖維開始。頂層和底層 （通常是工業(yè)型 FR4） 在將成為 PCB 外部的部件上有銅.中心層是銅，兩側(cè)都有FR4，因此包括兩個(gè)內(nèi)部導(dǎo)電層。預(yù)浸料實(shí)際上是將堆棧固定在一起的膠水;它可以只是粘合劑，也可以是FR4玻璃纖維和熱定型粘合劑的組合。在制造過(guò)程中，圖3中的堆棧將在熱和壓力下被壓縮以將層粘合在一起。

圖3.是典型的四層PCB堆疊。

構(gòu)造順序可能因許多因素而異。我們最喜歡的參考資源，大多數(shù)工程師稱之為“PC圣經(jīng)”的手冊(cè)，是Coombs的。1他詳細(xì)介紹了PCB制造工藝，概述了數(shù)百種變化和可能性。就在你被徹底嚇倒的時(shí)候，你到了附錄。附錄中的知識(shí)是海量的， 與所有PCB相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)列表.它帶您從包括表面貼裝、通用和無(wú)源元件在內(nèi)的組件，到印刷電路板、材料、設(shè)計(jì)活動(dòng)，再到組件安裝和焊接，再到質(zhì)量評(píng)估、測(cè)試方法和維修。在這一點(diǎn)上，我們開始欣賞和理解為什么我們需要我們最好的電路板供應(yīng)商來(lái)指導(dǎo)和建議我們。

盡管如此，董事會(huì)確實(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，而且似乎總是在確定的截止日期之前發(fā)生。下面的四個(gè)PCB示例要么發(fā)生在裸板的釘床測(cè)試之前，要么發(fā)生在取消該測(cè)試以節(jié)省時(shí)間之后 - 總是一個(gè)會(huì)懲罰我們的不良做法。你能猜出我們?cè)诿總€(gè)示例中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤嗎？

示例 1：過(guò)度蝕刻

我們收到了 PCB 并組裝了六塊板.奇怪的是，董事會(huì)都有不同的問(wèn)題。通常，當(dāng)您修復(fù)一塊板時(shí)，相同的修復(fù)適用于所有板。但這次不是，這是理解問(wèn)題的關(guān)鍵。

我們發(fā)現(xiàn)一些錯(cuò)誤是微小的銅碎片，它們使隨機(jī)的東西短路。同時(shí)，我們?cè)陔娐沸阅苤锌吹搅艘粋€(gè)巨大的“無(wú)源”問(wèn)題（至少我們通常認(rèn)為PCB是無(wú)源的）。沒(méi)有電路可以在數(shù)十個(gè)隨機(jī)短路的情況下工作。因?yàn)檫@些短褲是隨機(jī)的，而且每塊板上都不同，所以這是一場(chǎng)故障排除的噩夢(mèng)。我們將PCB切片并在顯微鏡下觀察。電路板被過(guò)度蝕刻，如圖4所示。

圖4.PCB部分具有過(guò)度蝕刻的薄銅邊緣，這些邊緣會(huì)斷裂為長(zhǎng)而薄的碎片，并短于相鄰的走線。

圖4A在光刻膠下具有平坦的側(cè)面。如果化學(xué)成分和溫度不正確，或者電路板在蝕刻溶液中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則效果是蝕刻“近在咫尺”，從而削弱銅（圖 4B）。細(xì)長(zhǎng)的分片可能會(huì)折斷頂部邊緣，在一端保持連接，并短到相鄰的跡線。

仔細(xì)觀察我們的電路板，我們看到了兩個(gè) 90 度角的磨痕圖案。供應(yīng)商使用了帶有嵌入式磨料的聚合物砂輪。他們?cè)噲D通過(guò)在每側(cè)兩次研磨木板來(lái)擦掉碎片。他們確實(shí)去除了大部分碎片，但隨后他們焊接了電路板，這使得剩余的碎片成為固體隨機(jī)短路。添加阻焊層隱藏了短路和大多數(shù)磨痕.

示例 2：方向

我們收到了帶有阻焊層和頂部絲網(wǎng)印刷的雙面PCB，并手工組裝了帶有通孔零件的電路板.什么都沒(méi)用。我們?cè)谒^的無(wú)源PCB上遇到了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：所有三個(gè)電源在多個(gè)地方都短路了。沒(méi)有任何意義;幾十個(gè)電路塊中沒(méi)有一個(gè)起作用。技術(shù)人員嘗試了一下，但最終打電話給工程師尋求幫助。

技術(shù)人員設(shè)法以一些奇怪的方式插入零件。例如，晶體管的三根引線（通常在絲網(wǎng)印刷輪廓中形成三角形）被扭曲和扭曲。仔細(xì)觀察阻焊層下方，我們意識(shí)到絲網(wǎng)印刷和電路板的底部方向正確，但電路板的頂部組件銅側(cè)是鏡像。當(dāng)阻焊劑暴露時(shí)，用于制作頂部圖像的薄膜是顛倒的。

示例 3：找到自己的路

我們收到了一個(gè)四層板，如上面的示例 2 所示，存在類似的問(wèn)題。同樣，許多走線連接到錯(cuò)誤的東西，電源在多個(gè)地方短路，沒(méi)有任何工作（沒(méi)有電路塊）。通常，當(dāng)出現(xiàn)電路板錯(cuò)誤時(shí)，至少某些電路會(huì)起作用。我們已經(jīng)實(shí)施了完整的釘床測(cè)試，當(dāng)它沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)感到困惑。然后我們發(fā)現(xiàn)采購(gòu)部門跳過(guò)了釘床測(cè)試，以加快電路板交付。該測(cè)試將節(jié)省我們數(shù)天的精力。浪費(fèi)的時(shí)間是一個(gè)代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

我們發(fā)現(xiàn)電路板層的組裝順序錯(cuò)誤。許多盲孔連接到錯(cuò)誤的層上。因此，我們添加了一個(gè)邊緣代碼（圖5），以便檢查電路板。

圖5.PCB的銅層，右側(cè)有一個(gè)交錯(cuò)的邊緣代碼。實(shí)現(xiàn)代碼后，我們可以快速檢查電路板層順序，以免浪費(fèi)時(shí)間，在電路板上填充組件。

圖5的代碼延伸到PCB的邊緣。這些板通常在由許多較小的PCB制成的較大面板中制造，以方便在制造過(guò)程中進(jìn)行處理.各個(gè)電路板使用路由器分隔，從而在電路板邊緣露出圖 5 代碼。顯微鏡可以讓我們測(cè)量銅間距，并查看它是否符合電路板規(guī)格。這向我們保證了帶狀線將是正確的阻抗。

示例 4：厚度正確，但答案不正確

我們收到了一塊四層板。其中大部分都有效，但帶狀線有巨大的振鈴和反射。帶狀線相當(dāng)于嵌入 PCB 中的同軸電纜。同軸電纜是絕緣電介質(zhì)內(nèi)的中心導(dǎo)體，周圍環(huán)繞著圓形接地屏蔽。除了保護(hù)信號(hào)免受外部污染外，同軸電纜和帶狀線還提供已知的阻抗信號(hào)路徑，當(dāng)在其特性阻抗端接時(shí)，該路徑不會(huì)反射能量。如果PCB結(jié)構(gòu)不正確，阻抗變化會(huì)導(dǎo)致反射和振鈴，從而破壞模擬信號(hào)，甚至可能混淆數(shù)字信號(hào)。

對(duì)電路板進(jìn)行切片使我們能夠測(cè)量各層的厚度。我們發(fā)現(xiàn)PCB供應(yīng)商缺少一些厚度的電路板材料.他們未經(jīng)培訓(xùn)的員工試圖滿足我們的交貨期限，并從庫(kù)存中替換額外的預(yù)浸料層，從而使總厚度正確。這聽起來(lái)可能是一個(gè)很好的“修復(fù)”，但絕對(duì)不是這樣?；仡^看圖 4。假設(shè)兩側(cè)都有銅的中心層被更薄的材料所取代。這兩層之間的電容會(huì)上升，因?yàn)殡娊橘|(zhì)更薄。為了保持布局和最終板的總厚度相同，我們可以通過(guò)增加上部預(yù)浸料層厚度來(lái)補(bǔ)償。這將降低頂部銅層和中心最近的銅層之間的電容。但是請(qǐng)注意，這也假設(shè)預(yù)浸料在兩種情況下具有相同的介電常數(shù)，這可能不正確。因此，電容的變化會(huì)改變PCB和帶狀線阻抗，我們所謂的“無(wú)源”PCB現(xiàn)在正在振鈴。您可以對(duì)信號(hào)完整性說(shuō)“再見(jiàn)”。

PCB問(wèn)題導(dǎo)致被動(dòng)故障

顯然，一個(gè)看不見(jiàn)的、理所當(dāng)然的、隨便你怎么稱呼它的PCB都會(huì)對(duì)精密電路性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。此外，我們不能認(rèn)為任何事情都是理所當(dāng)然的，也不能假設(shè)無(wú)源IC問(wèn)題與PCB本身無(wú)關(guān)。由不良 PCB 引起的常見(jiàn) IC 性能問(wèn)題和錯(cuò)誤包括接地通孔、平面或箔中的壓降和阻抗;防漏和吸濕性;和雜散電容，具有歡迎和介電吸收或浸泡。

壓降

接地過(guò)孔、平面或箔片中的壓降是一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，直流和高頻的壓降需要不同的補(bǔ)救措施?；叵胍幌聨?kù)姆斯手冊(cè)，2第10章介紹走線與電容和串?dāng)_的關(guān)系，第13章介紹電壓和接地銅厚度與片層電阻的關(guān)系。對(duì)于過(guò)孔阻抗，我們期待Sayre：3

L = 5.08h [ln （4h/d） + 1]

其中：
L = 過(guò)孔電感，nH
h = 過(guò)孔長(zhǎng)度，英寸
d = 過(guò)孔直徑，英寸

使用 h = 0.0625 英寸和 d = 0.020 英寸，我們的過(guò)孔電感為 0.666μH。如何降低這種電感？并行放置兩個(gè)、四個(gè)或更多過(guò)孔。

這是一個(gè)很好的一階近似，在考慮幾百兆赫茲以下的信號(hào)完整性時(shí)很有用。有關(guān)當(dāng)前回歸路徑的更多細(xì)節(jié)和考慮，我們轉(zhuǎn)向霍華德·約翰遜和他的“黑魔法”系列。

耐漏電性

耐漏電性5的PCB會(huì)干擾敏感的高阻抗電路。泄漏源包括層壓材料選擇不當(dāng)、指紋、皮膚油、人體呼吸、殘留的制造化學(xué)品、未正確清潔的助焊劑以及表面水分和濕度。如果這對(duì)您的電路有問(wèn)題，請(qǐng)考慮表面和地下污染和吸濕無(wú)處不在，在阻焊層上、內(nèi)部或下方;在敷形涂層上、內(nèi)部或下方;在有源或無(wú)源元件上或中。

在對(duì)現(xiàn)有PCB進(jìn)行故障排除時(shí)，請(qǐng)記住經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師通過(guò)蘇打吸管在板上吹氣。吸管定位水分以幫助識(shí)別敏感區(qū)域。使用適當(dāng)?shù)娜軇氐浊鍧嶋娐钒宸浅Ｖ匾?。錯(cuò)誤的溶劑，例如，用極性溶劑清潔水溶性助焊劑，可能會(huì)在電路板上留下鹽分。如果使用去離子水清潔木板，請(qǐng)烘烤木板以干燥。即使現(xiàn)在你也可能沒(méi)有完成。即使是最干凈的電路板也可能仍然會(huì)引起問(wèn)題。具有非常敏感電路的PCB，例如具有高阻抗輸入和高增益的運(yùn)算放大器，可能需要額外關(guān)注?？赡苄枰褂门c受保護(hù)引腳的直流電平相匹配的驅(qū)動(dòng)低阻抗電路來(lái)保護(hù)或包圍所有電路板層上的敏感引腳。

雜散電容

當(dāng)電容雜散且不可避免時(shí)，它通常是一個(gè)問(wèn)題。它減少了帶寬并減慢了高速信號(hào)。介電吸收或浸泡時(shí)不好7導(dǎo)致掛鉤、壓擺率錯(cuò)誤或欠沖/過(guò)沖。但是，當(dāng)它是高頻功率去耦時(shí)，電容是受歡迎的。我們可以在電源層和接地層之間指定比普通電介質(zhì)更薄（甚至薄FR4）以增加電容。小于10pF的分立電容（表面貼裝中在~2GHz時(shí)自諧振）很容易受到走線和電感的影響。當(dāng)電容分布在電源層和接地層之間時(shí)， 它具有低串聯(lián)電感，并且是可重復(fù)的，是的， 如果我們有一個(gè)“黃金”優(yōu)秀的PCB供應(yīng)商.

總結(jié)

讓我們回想一下我們打開的魔術(shù)師的神秘盒子，里面隱藏著技巧。我們期待某些規(guī)范，看看我們的期望。當(dāng)涉及到PCB中的潛在問(wèn)題時(shí)，我們根本不能那么盲目.電路板的制造和組裝遠(yuǎn)比臨時(shí)審查員看起來(lái)要復(fù)雜得多，這種復(fù)雜性存在PCB缺陷和錯(cuò)誤的可能性?，F(xiàn)在，對(duì)于我們的討論來(lái)說(shuō)，最重要的是，這些缺陷和錯(cuò)誤會(huì)在IC中引入被動(dòng)誤差。我們只檢查了壓降、漏電流和雜散電容，但潛在無(wú)源誤差的清單確實(shí)更長(zhǎng)。解決這些被動(dòng)問(wèn)題不可避免地意味著修復(fù)PCB，每種情況都需要自己的解決方案。最后， 在這種情況下，我們都可以欣賞一個(gè)好的可靠的PCB供應(yīng)商對(duì)我們成功產(chǎn)品的貢獻(xiàn).

審核編輯：郭婷