高速印制電路板的設(shè)計(jì)及布線要點(diǎn)

　　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來支撐整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。怎樣利用PCB的布線來保證整個(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50MHz，將近20％ 的設(shè)計(jì)主頻超過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)方法設(shè)計(jì)的PCB將無法滿足系統(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

　　1.1.1 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??；基板與銅箔的熱膨脹系數(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。

　　1.1.2 三種高頻基板物性

　　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，而氟系樹脂昂貴：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，環(huán)氧樹脂較差。當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用的頻率高過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

　　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機(jī)物（如二氧化硅SiO2）或玻纖布作增強(qiáng)填充材料，來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)

　　2.1.1 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。

　　2.1.2 嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度

　　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題。解決這個(gè)問題有一些基本原則：如果采用CMOS或TTL電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作頻率小于10MHz.布線長度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50MHz布線長度應(yīng)不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過75MHz布線長度應(yīng)在1英寸。對(duì)于GaAs芯片的布線長度應(yīng)為0.3英寸。如果超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就存在傳輸線的問題。

　　2.1.3 合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　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 但這種走線方式布通率，不容易100％布通。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短，安全的長度值應(yīng)該是：Stub Delay 《= Trt*0.1。例如，高速TTL電路中的分支端長度應(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)的不同步問題。2.1.4 抑止電磁干擾解決信號(hào)完整性問題將改善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)地線層是十分有效的方法。此外，使電路扳的外層信號(hào)的密度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來實(shí)現(xiàn)。表面積層通過在普通工藝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)來控制線寬、線間距。減少信號(hào)傳輸線帶來的效應(yīng)。

　　2.2 高速印制電路板的布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　2.2.1 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)整體性問題和EMC問題的防范措施，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)致電源之問的AC耦合。

　　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。

　　2.2.2 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，帶來的分布電感和電容值越大，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”，若無法避免，可在平行信號(hào)線的反面布置大面積“地”來大幅度減少干擾 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。

　　2.2.3 布置旁路電容

　　所有的系統(tǒng)都會(huì)遇到噪音問題。 電源層單獨(dú)無法消除線路噪音，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?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器的角色。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。

　　2.2.4 過孔設(shè)計(jì)

　　高速印制電路板上元件連接過程中所用到的鍍通孔越少越好，據(jù)測，一個(gè)鍍通孔可帶來約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)提供近的回路。

　　表2 旁路電容類型

　　3 總結(jié)

　　隨著科技的發(fā)展，高頻電路在電子產(chǎn)品中使用也越趨頻繁，根據(jù)不同的需要，利用各種軟件對(duì)高速印制電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)及布線，這里針對(duì)其中的主要注意事項(xiàng)，作了分析說明，為實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)提供了理論與實(shí)施的可能性。根據(jù)實(shí)際情況與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合使用工藝要求。另外還要考慮成本耗材，從整體上考慮，才可設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高速印制電路板。