高速PCB经验与技巧.pdf

高速高速 PCB 设计经验与技巧设计经验与技巧 高速高速 PCB 设计中的串扰分析与控制设计中的串扰分析与控制 物理分析与验证对于确保复杂、高速 PCB 板级和系统级设计的成功起到越来越关键的作用。本文将介绍在信号完整性分析中抑制和改善信号串扰的方法，以及电气规则驱动的高速 PCB 布线技术实现信号串扰控制的设计策略。当前，日渐精细的半导体工艺使得晶体管尺寸越来越小，因而器件的信号跳变沿也就越来越快，从而导致高速数字电路系统设计领域信号完整性问题以及电磁兼容性方面的问题日趋严重。信号完整性问题主要包括传输线效应，如反射、时延、振铃、信号的过冲与下冲以及信号之间的串扰等，其中信号串扰最为复杂，涉及因素多、计算复杂而难以控制。所以今天的电子产品设计迫切需要区别于传统设计环境、设计流程和设计方法的全新思路、流程、方法和技术。EDA 技术已经研发出一整套高速 PCB 和电路板级系统的设计分析工具和方法学，这些技术涵盖高速电路设计分析的方方面面：静态时序分析、信号完整性分析、EMI/EMC 设计、地弹反射分析、功率分析以及高速布线器。同时还包括信号完整性验证和 Sign-Off，设计空间探测、互联规划、电气规则约束的互联综合，以及专家系统等技术方法的提出也为高效率更好地解决信号完整性问题提供了可能。信号完整性分析与设计是最重要的高速 PCB 板级和系统级分析与设计手段，在硬件电路设计中扮演着越来越重要的作用，这里将讨论信号完整性问题中的信号串扰。申扰解决方案 信号之间由于电磁场的相互祸合而产生的不期望的噪声电压信号称为信号串扰。串扰超出一定的值将可能引发电路误动作从而导致系统无法正常工作。解决串扰问题问题可以从以下几个方面考虑：a.在可能的情况下降低信号沿的变换速率 通常在器件选型的时候，在满足设计规范的同时尽量选择慢速的器件，并且避免不同种类的信号混合使用，因为快速变换的信号对慢变换的信号有潜在的串扰危险。b.采用屏蔽措施 为高速信号提供包地是解决串扰问题的一个有效途径。然而，包地会导致布线量增加，使原本有限的布线区域更加拥挤。另外，地线屏蔽要达到预期目的，地线上接地点间距很关键，一般小于信号变化沿长度的两倍。同时地线也会增大信号的分布电容，使传输线阻抗增大，信号沿变缓。c、合理设置层和布线 合理设置布线层和布线间距，减小并行信号长度，缩短信号层与平面层的间距，增大信号线间距，减小并行信号线长度（在关键长度范围内），这些措施都 可以有效减小串扰。d.设置不同的布线层 为不同速率的信号设置不同的布线层，并合理设置平面层，也是解决串扰的好方法。e.阻抗匹配 如果传输线近端或远端终端阻抗与传输线阻抗匹配，也可以大大减小串扰的幅度。串扰分析的目的是为了在 PCB 实现中迅速地发现、定位和解决串扰问题。一般的仿真工具与环境中仿真分析与 PCB 布线环境互相独立，布线结束后进行串扰分析，得到串扰分析报告，推导出新的布线规则并且重新布线，再分析修正，这样设计的反复比较多。通过仿真分析可以看到，实际的串扰结果都不相同，并且差距很大。因此，一个好的工具应该不 仅能够分析串扰，并且能够应用串扰规则进行布线。另外，一般的布线工具仅限于物理规则驱动，对控制串扰的布线只能通过设定线宽和线间距，以及最大并行走线长度等物理规则来约束。采用信号完整性分析和设计工具集 ICX 可以支持真正意义上的电气规则 驱动布线，其仿真分析和布线在一个环境下完成，在仿真时可以设定电气规则和物理规则，在布线的同时自动计算过冲、串扰等信号完整性要素，并根据计算的结果自动修正布线。这样的布线速度快，而且真正符合实际的电气性能要求。申扰控制的信号完整性设计申扰控制的信号完整性设计 高速 PCB 设计规则通常分两种：物理规则和电气规则。所谓物理规则是指设计工程师指定基于物理尺寸的某些设计规则，比如线宽为 4Mi1，线与线之间的间距为 4Mi1，平行走线长度为 4Mi1 等。而电气规则是指有关电特性或者电性能方面的设计规则，如布线延时控制在 Ins 到 2ns 之间，某一个 PCB 线上的串扰总量小于 70mV 等等 定义清楚了物理规则和电气规则就可以进一步探讨高速布线器。目前市场上基于物理规则（物理规则驱动）的高速布线器有 AutoActive RE 布线器、CCT 布线器、B1azeRouter 布线器和 Router Editor 布线器，实际上这些布线器都是物理规则驱动的自动布线器，也就是说这些布线器只能够自动满足设计工程师指定的物理尺寸方面的要求，而并不能够直接受高速电气的物理尺寸方面的要求，而并不能够直接受高速电气 规则所驱动。电气规则直接驱动的高速布线器对于确保高速设计信号完整性来说非常重要，设计工程师总是最先得到电气规则而且设计规范也是电气规则，换句话说我们的设计最终必须满足的是电气规则而不是物理规则，最终的物理设计实现满足设计的电气规则要求才是最本质的。物理规则仅仅是元器件厂商或者是设计工程师自己对电气规则作的一种转换，我们总是期望这种 转换是对等的，是一一对应的。而实际情况并非如 此。以采用 LVDS 芯片来完成高速率（高达 77776Mbps)、长距离（长达 loom)的数据传输为例，由于 LVDS 技术的信号摆幅是 3500，那么通常的设计规范总是要求信号线上总的串扰值应该小于等于信号摆幅的 20，也就是串扰的总量最大350mV X20%=700，这就是电气规则，其中 20%的百分比取决于 LVDS 的噪声容限，可以从参考手册上获得。对于 IS_Synthesizer 来说，设计工程师只要指定该 LVDS 信号线上的串扰值大小，布线时就能够自动调整和细化来确保满足电性能方面的要求，在布线过程中会自动考虑周围所有信号线对该 LVDS 信号的影响。而对基于物理规则驱动的布线器来说，首先需要进行一些假想的分析和考虑，设计工程师总是认为信号之间的串扰仅仅取决于平行信号之间并行走线的长度，所以可以在高速电路设计的前端环境中做一些假想的分析，比如可以假定并行走线的长度是 2.5mil，然后分析它们之间的串扰，这个值可能并不是 70mV，但是可以根据得到的结论来进一步调整并 行走线的长度，假如恰好当并行走线的长度是某一个确定的值如 7mi1 时信号之间的串扰值基本上就是 70mV,那么设计工程师就认为只要保证差分线对并行走线的长度控制在 7mi1 范围以内就能够满足这样的电气特性要求（信号串扰值控制在70mV 以内），于是在实际的物理 PCB 布局布线时设计工程师就得到了这样一个高速 PCB 设计的物理规则，常规的高速布线器都可以确保满足这种物理尺寸方面的要求。这里会存在两个问题：首先，规则的转换并不等同，首先信号之间的串扰并非唯一由并行信号之间走线的长度来决定，还取决于信号的流向、并行线段所处的位置，以及有无匹配等多种因素，而这些因素可能很难预料，甚至不可能在实际的物理实现之前充分地进行考虑。所以经过这样的转换之后，并不能够确保在满足这些物理规则的情况下，同时能够满足原始的电气规则。这也是为什么上述的这些高速布线器在满足规则的情况下，PCB 系统仍然不能正常工作的很重要的一个原因。其次，在这些规则转换时几乎不可能同时考虑多方面的影响，如在考虑信号串扰时很难同时考虑到周围所有相关信号线的影响。这两方面的情况就决定了基于物理规则的高速布线器在高速、高复杂度的 PCB 系统设计中将存在很大的问题，而真正基于电气规则驱动的高速 PCB 布线器就较好地解决了这方面的问题。本文小结 高速 PCB 板级、系统级设计是一个复杂的过程，包括信号串扰在内的信号完整性问题带来设计观念、设计思路、设计流程以及设计手段的变革。确保在高速系统设计中迅速发现问题、解决问题，并且指导在新的设计中预防问题的出现已经成为今天高速系统设计的主流。第一篇第一篇 PCB 布线布线 在 PCB 设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个 PCB 中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB 布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。对目前高密度的 PCB 设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。1 电源、地线的处理电源、地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：（1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。（2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最经细宽度可达 0.050.07mm,电源线为 1.22.5 mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)（3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。2 数字电路与模拟电路的共地处理数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多 PCB 不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整人 PCB 对外界只有一个结点，所以必须在 PCB 内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在 PCB 与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在 PCB 上不共地的，这由系统设计来决定。3 信号线布在电（地）层上信号线布在电（地）层上 在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。4 大面积导体中连接腿的处理大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：焊接需要大功率加热器。容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。5 布线中网络系统的作用布线中网络系统的作用 在许多 CAD 系统中，布线是依据网络系统决定的。网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。标准元器件两腿之间的距离为 0.1 英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为 0.1 英寸(2.54 mm)或小于 0.1 英寸的整倍数，如：0.05 英寸、0.025 英寸、0.02 英寸等。6 设计规则检查（设计规则检查（DRC）布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：（1）、线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。（2）、电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合（低的波阻抗）？在 PCB 中是否还有能让地线加宽的地方。（3）、对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。（4）、模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。（5）后加在 PCB 中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。（6）对一些不理想的线形进行修改。（7）、在 PCB 上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。（8）、多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。第二篇第二篇 PCB 布局布局 在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是 PCB 设计成功的第一步。布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得 PCB 板中的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来,同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。-考虑整体美观 一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。在一个 PCB 板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。-布局的检查 印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符？能否符合 PCB 制造工艺要求？有无定位标记？元件在二维、三维空间上有无冲突？元件布局是否疏密有序，排列整齐？是否全部布完？需经常更换的元件能否方便的更换？插件板插入设备是否方便？热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离？调整可调元件是否方便？在需要散热的地方，装了散热器没有？空气流是否通畅？信号流程是否顺畅且互连最短？插头、插座等与机械设计是否矛盾？线路的干扰问题是否有所考虑？第三篇第三篇 高速高速 PCB 设计设计 （一）、电子系统设计所面临的挑战（一）、电子系统设计所面临的挑战 随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事 100MHZ 以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过 50MHZ，有的甚至超过 100MHZ。目前约 50%的设计的时钟频率超过 50MHz，将近 20%的设计主频超过 120MHz。当系统工作在 50MHz 时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到 120MHz 时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的 PCB 将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。（二）、什么是高速电路（二）、什么是高速电路 通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过 45MHZ50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说），就称为高速电路。实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果线传播延时大于 1/2 数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发生在信号状态改变的瞬间，如上升或下降时间。信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间，如果传输时间小于 1/2 的上升或下降时间，那么来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端。反之，反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端。如果反射信号很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。（三）、高速信号的确定（三）、高速信号的确定 上面我们定义了传输线效应发生的前提条件，但是如何得知线延时是否大于 1/2 驱动端的信号上升时间？一般地，信号上升时间的典型值可通过器件手册给出，而信号的传播时间在 PCB 设计中由实际布线长度决定。下图为信号上升时间和允许的布线长度(延时)的对应关系。PCB 板上每单位英寸的延时为 0.167ns.。但是，如果过孔多，器件管脚多，网线上设置的约束多，延时将增大。通常高速逻辑器件的信号上升时间大约为 0.2ns。如果板上有 GaAs 芯片，则最大布线长度为 7.62mm。设 Tr 为信号上升时间，Tpd 为信号线传播延时。如果 Tr4Tpd，信号落在安全区域。如果 2TpdTr4Tpd，信号落在不确定区域。如果 Tr2Tpd，信号落在问题区域。对于落在不确定区域及问题区域的信号，应该使用高速布线方法。（四）、什么是传输线（四）、什么是传输线 PCB 板上的走线可等效为下图所示的串联和并联的电容、电阻和电感结构。串联电阻的典型值 0.25-0.55 ohms/foot，因为绝缘层的缘故，并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的 PCB 连线中之后，连线上的最终阻抗称为特征阻抗 Zo。线径越宽，距电源/地越近，或隔离层的介电常数越高，特征阻抗就越小。如果传输线和接收端的阻抗不匹配，那么输出的电流信号和信号最终的稳定状态将不同，这就引起信号在接收端产生反射，这个反射信号将传回信号发射端并再次反射回来。随着能量的减弱反射信号的幅度将减小，直到信号的电压和电流达到稳定。这种效应被称为振荡，信号的振荡在信号的上升沿和下降沿经常可以看到。（五）、传输线效应（五）、传输线效应 基于上述定义的传输线模型，归纳起来，传输线会对整个电路设计带来以下效应。反射信号 Reflected signals 延时和时序错误 Delay&Timing errors 多次跨越逻辑电平门限错误 False Switching 过冲与下冲 Overshoot/Undershoot 串扰 Induced Noise(or crosstalk)电磁辐射 EMI radiation 5.1 反射信号反射信号 如果一根走线没有被正确终结(终端匹配)，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。当失真变形非常显著时可导致多种错误，引起设计失败。同时，失真变形的信号对噪声的敏感性增加了，也会引起设计失败。如果上述情况没有被足够考虑，EMI 将显著增加，这就不单单影响自身设计结果，还会造成整个系统的失败。反射信号产生的主要原因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。5.2 延时和时序错误延时和时序错误 信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高与低门限之间变化时保持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱。通常在有多个接收端时会出现问题。电路设计师必须确定最坏情况下的时间延时以确保设计的正确性。信号延时产生的原因：驱动过载，走线过长。5.3 多次跨越逻辑电平门限错误多次跨越逻辑电平门限错误 信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限从而导致这一类型的错误。多次跨越逻辑电平门限错误是信号振荡的一种特殊的形式，即信号的振荡发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。反射信号产生的原因：过长的走线，未被终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。5.4 过冲与下冲过冲与下冲 过冲与下冲来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因。虽然大多数元件接收端有输入保护二极管保护，但有时这些过冲电平会远远超过元件电源电压范围，损坏元器件。5.5 串扰串扰 串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在 PCB 板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号，我们称之为串扰。信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。5.6 电磁辐射电磁辐射 EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI 表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行 EMI 仿真的软件工具，但 EMI 仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将直接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制 EMI 的各项设计规则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。（六）、避免传输线效应的方法（六）、避免传输线效应的方法 针对上述传输线问题所引入的影响，我们从以下几方面谈谈控制这些影响的方法。6.1 严格控制关键网线的走线长度严格控制关键网线的走线长度 如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到在 PCB 板上存在传输线效应的问题。现在普遍使用的很高时钟频率的快速集成电路芯片更是存在这样的问题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用 CMOS 或 TTL 电路进行设计，工作频率小于 10MHz，布线长度应不大于 7 英寸。工作频率在 50MHz 布线长度应不大于 1.5 英寸。如果工作频率达到或超过 75MHz布线长度应在 1 英寸。对于 GaAs 芯片最大的布线长度应为 0.3 英寸。如果超过这个标准，就存在传输线的问题。6.2 合理规划走线的拓扑结构合理规划走线的拓扑结构 解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。走线的拓扑结构是指一根网线的布线顺序及布线结构。当使用高速逻辑器件时，除非走线分支长度保持很短，否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB 走线采用两种基本拓扑结构，即菊花链(Daisy Chain)布线和星形(Star)分布。对于菊花链布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在控制走线的高次谐波干扰方面，菊花链走线效果最好。但这种走线方式布通率最低，不容易 100%布通。实际设计中，我们是使菊花链布线中分支长度尽可能短，安全的长度值应该是：Stub Delay=Trt*0.1.例如，高速 TTL 电路中的分支端长度应小于 1.5 英寸。这种拓扑结构占用的布线空间较小并可用单一电阻匹配终结。但是这种走线结构使得在不同的信号接收端信号的接收是不同步的。星形拓扑结构可以有效的避免时钟信号的不同步问题，但在密度很高的 PCB 板上手工完成布线十分困难。采用自动布线器是完成星型布线的最好的方法。每条分支上都需要终端电阻。终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。这可通过手工计算，也可通过 CAD 工具计算出特征阻抗值和终端匹配电阻值。在上面的两个例子中使用了简单的终端电阻，实际中可选择使用更复杂的匹配终端。第一种选择是 RC 匹配终端。RC 匹配终端可以减少功率消耗，但只能使用于信号工作比较稳定的情况。这种方式最适合于对时钟线信号进行匹配处理。其缺点是 RC 匹配终端中的电容可能影响信号的形状和传播速度。串联电阻匹配终端不会产生额外的功率消耗，但会减慢信号的传输。这种方式用于时间延迟影响不大的总线驱动电路。串联电阻匹配终端的优势还在于可以减少板上器件的使用数量和连线密度。最后一种方式为分离匹配终端，这种方式匹配元件需要放置在接收端附近。其优点是不会拉低信号，并且可以很好的避免噪声。典型的用于 TTL 输入信号(ACT,HCT,FAST)。此外，对于终端匹配电阻的封装型式和安装型式也必须考虑。通常 SMD 表面贴装电阻比通孔元件具有较低的电感，所以 SMD 封装元件成为首选。如果选择普通直插电阻也有两种安装方式可选：垂直方式和水平方式。垂直安装方式中电阻的一条安装管脚很短，可以减少电阻和电路板间的热阻，使电阻的热量更加容易散发到空气中。但较长的垂直安装会增加电阻的电感。水平安装方式因安装较低有更低的电感。但过热的电阻会出现漂移，在最坏的情况下电阻成为开路，造成 PCB 走线终结匹配失效，成为潜在的失败因素。6.3 抑止电磁干扰的方法抑止电磁干扰的方法 很好地解决信号完整性问题将改善 PCB 板的电磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是保证 PCB 板有很好的接地。对复杂的设计采用一个信号层配一个地线层是十分有效的方法。此外，使电路板的最外层信号的密度最小也是减少电磁辐射的好方法，这种方法可采用表面积层技术Build-up设计制做 PCB 来实现。表面积层通过在普通工艺 PCB 上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的微孔的组合来实现，电阻和电容可埋在表层下，单位面积上的走线密度会增加近一倍，因而可降低 PCB 的体积。PCB 面积的缩小对走线的拓扑结构有巨大的影响，这意味着缩小的电流回路，缩小的分支走线长度，而电磁辐射近似正比于电流回路的面积；同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用，这又使得连线长度下降，从而电流回路减小，提高电磁兼容特性。6.4 其它可采用技术其它可采用技术 为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲，应该为集成电路芯片添加去耦电容。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时，其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容，而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。任何高速和高功耗的器件应尽量放置在一起以减少电源电压瞬时过冲。如果没有电源层，那么长的电源连线会在信号和回路间形成环路，成为辐射源和易感应电路。走线构成一个不穿过同一网线或其它走线的环路的情况称为开环。如果环路穿过同一网线其它走线则构成闭环。两种情况都会形成天线效应(线天线和环形天线)。天线对外产生 EMI 辐射，同时自身也是敏感电路。闭环是一个必须考虑的问题，因为它产生的辐射与闭环面积近似成正比。结束语结束语 高速电路设计是一个非常复杂的设计过程，ZUKEN 公司的高速电路布线算法(Route Editor)和 EMC/EMI 分析软件(INCASES,Hot-Stage)应用于分析和发现问题。本文所阐述的方法就是专门针对解决这些高速电路设计问题的。此外，在进行高速电路设计时有多个因素需要加以考虑，这些因素有时互相对立。如高速器件布局时位置靠近，虽可以减少延时，但可能产生串扰和显著的热效应。因此在设计中，需权衡各因素，做出全面的折衷考虑；既满足设计要求，又降低设计复杂度。高速 PCB 设计手段的采用构成了设计过程的可控性，只有可控的，才是可靠的，也才能是成功的！第四篇第四篇 高高密度密度(HD)电路的设计电路的设计 本文介绍，许多人把芯片规模的封装看作是由便携式电子产品所需的空间限制的一个可行的解决方案，它同时满足这些产品更高功能与性能的要求。为便携式产品的高密度电路设计应该为装配工艺着想。当为今天价值推动的市场开发电子产品时，性能与可靠性是最优先考虑的。为了在这个市场上竞争，开发者还必须注重装配的效率，因为这样可以控制制造成本。电子产品的技术进步和不断增长的复杂性正产生对更高密度电路制造方法的需求。当设计要求表面贴装、密间距和向量封装的集成电路 时，可能要求具有较细的线宽和较密间隔的更高密度电路板。可是，展望未来，一些已经在供应微型旁路孔、序列组装电路板的公司正大量投资来扩大能力。这些公司认识到便携式电子产品对更小封装的目前趋势。单是通信与个人计算产品工业就足以领导全球的市场。高密度电子产品的开发者越来越受到几个因素的挑战：物理 复杂元件上更密的引脚间隔、财力 贴装必须很精密、和环境 许多塑料封装吸潮，造成装配处理期间的破裂。物理因素也包括安装工艺的复杂性与最终产品的可靠性。进一步的财政决定必须考虑产品将如何制造和装配设备效率。较脆弱的引脚元件，如 与 与 引脚间距的 ，可能在维护一个持续的装配工艺合格率方面向装配专家提出一个挑战。最成功的开发计划是那些已经实行工艺认证的电路板设计指引和工艺认证的焊盘几何形状。在环境上，焊盘几何形状可能不同，它基于所用的安装电子零件的焊接类型。可能的时候，焊盘形状应该以一种对使用的安装工艺透明的方式来定义。不管零件是安装在板的一面或两面、经受波峰、回流或其它焊接，焊盘与零件尺寸应该优化，以保证适当的焊接点与检查标准。虽然焊盘图案是在尺寸上定义的，并且因为它是印制板电路几何形状的一部分，它们受到可生产性水平和与电镀、腐蚀、装配或其它条件有关的公差的限制。生产性方面也与阻焊层的使用和在阻焊与导体图案之间的对齐定位有关。1、焊盘的要求、焊盘的要求 国际电子技术委员会 的标准认识到对焊接圆角或焊盘凸起条件的不同目标的需要。这个新的国际标准确认两个为开发焊盘形状提供信息的基本方法：)基于工业元件规格、电路板制造和元件贴装精度能力的准确资料。这些焊盘形状局限于一个特定的元件，有一个标识焊盘形状的编号。)一些方程式可用来改变给定的信息，以达到一个更稳健的焊接连接，这是用于一些特殊的情况，在这些情况中用于贴装或安装设备比在决定焊盘细节时所假设的精度有或多或少的差别。该标准为用于贴装各种引脚或元件端子的焊盘定义了最大、中等和最小材料情况。除非另外标明，这个标准将所有三中“希望目标”标记为一级、二级或三级。一级：最大 用于低密度产品应用，“最大”焊盘条件用于波峰或流动焊接无引脚的片状元件和有引脚的翅形元件。为这些元件以及向内的型引脚元件配置的几何形状可以为手工焊接和回流焊接提供一个较宽的工艺窗口。二级：中等 具有中等水平元件密度的产品可以考虑采用这个“中等”的焊盘几何形状。与标准焊盘几何形状非常相似，为所有元件类型配置的中等焊盘将为回流焊接工艺提供一个稳健的焊接条件，并且应该为无引脚元件和翅形引脚类元件的波峰或流动焊接提供适当的条件。三级：最小 具有高元件密度的产品 通常是便携式产品应用 可以考虑“最小”焊盘几何形状。最小焊盘几何形状的选择可能不适合于所有的产品。在采用最小的焊盘形状之前，使用这应该考虑产品的限制条件，基于表格中所示的条件进行试验。在中所提供的以及在中所配置的焊盘几何形状应该接纳元件公差和工艺变量。虽然在标准中的焊盘已经为使用者的多数装配应用提供一个稳健的界面，但是一些公司已经表示了对采用最小焊盘几何形状的需要，以用于便携式电子产品和其它独特的高密度应用。国际焊盘标准()了解到更高零件密度应用的要求，并提供用于特殊产品类型的焊盘几何形状的信息。这些信息的目的是要提供适当的表面贴装焊盘的尺寸、形状和公差，以保证适当焊接圆角的足够区域，也允许对这些焊接点的检查、测试和返工。图一和表一所描述的典型的三类焊盘几何形状是为每一类元件所提供的：最大焊盘(一级)、中等焊盘(二级)和最小焊盘(三级)。图一、两个端子的、矩形电容与电阻元件的 IEC 标准可以不同以满足特殊产品应用 焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 0.6 0.4 0.2 脚跟-焊盘突出 0.0 0.0 0.0 侧面-焊盘突出 0.1 0.0 0.0 开井余量 0.5 0.25 0.05 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 表一、矩形与方形端的元件(陶瓷电容与电阻)(单位:mm)焊接点的脚趾、脚跟和侧面圆角必须针对元件、电路板和贴装精度偏差的公差 平方和。如图二所示，最小的焊接点或焊盘突出是随着公差变量而增加的（表二）。图二、带状翅形引脚元件的 IEC 标准定义了三种可能的变量以满足用户的应用 焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 0.8 0.5 0.2 脚跟-焊盘突出 0.5 0.35 0.2 侧面-焊盘突出 0.05 0.05 0.03 开井余量 0.5 0.25 0.05 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 表二、平带 L 形与翅形引脚(大于 0.625mm 的间距)(单位:mm)如果这些焊盘的用户希望对贴装和焊接设备有一个更稳健的工艺条件，那么分析中的个别元素可以改变到新的所希望的尺寸条件。这包括元件、板或贴装精度的扩散，以及最小的焊接点或焊盘突出的期望（表，和）。用于焊盘的轮廓公差方法的方式与元件的类似。所有焊盘公差都是要对每一个焊盘以最大尺寸提供一个预计的焊盘图形。单向公差是要减小焊盘尺寸，因此得当焊接点形成的较小区域。为了使开孔的尺寸标注系统容易，焊盘是跨过内外极限标注尺寸的。在这个标准中，尺寸标注概念使用极限尺寸和几何公差来描述焊盘允许的最大与最小尺寸。当焊盘在其最大尺寸时，结果可能是最小可接受的焊盘之间的间隔；相反，当焊盘在其最小尺寸时，结果可能是最小的可接受焊盘，需要达到可靠的焊接点。这些极限允许判断焊盘通过不通过的条件。假设焊盘几何形状是正确的，并且电路结构的最终都满足所有规定标准，焊接缺陷应该可以减少；尽管如此，焊接缺陷还可能由于材料与工艺变量而发生。为密间距 开发焊盘的设计者必须建立一个可靠的焊接连接所要求的最小脚尖与脚跟，以及在元件封装特征上允许最大与最小 或至少 的材料条件。表三、J 形引脚(单位:mm)焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 0.2 0.2 0.2 脚跟-焊盘突出 0.8 0.6 0.4 侧面-焊盘突出 0.1 0.05 0.0 开井余量 1.5 0.8 0.2 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 表四、圆柱形端子（MELF）(单位:mm)焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 1.0 0.4 0.2 脚跟-焊盘突出 0.2 0.1 0.0 侧面-焊盘突出 0.2 0.1 0.0 开井余量 0.2 0.25 0.25 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 表五、只有底面的端子(单位:mm)焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 0.2 0.1 0 脚跟-焊盘突出 0.2 0.1 0 侧面-焊盘突出 0.2 0.1 0 开井余量 0.25 0.1 0.05 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 表六、内向 L 形带状引脚(单位:mm)焊盘特性 最大一级 中等二级 最小三级 脚趾-焊盘突出 0.1 0.1 0.0 脚跟-焊盘突出 1.0 0.5 0.2 侧面-焊盘突出 0.1 0.1 0.1 开井余量 0.5 0.25 0.05 圆整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05 2、BGA 与与 CAP 封装已经发展到满足现在的焊接安装技术。塑料与陶瓷元件具有相对广泛的接触间距（，和），而相对而言，芯片规模的栅格间距为，和。与密间距元件两者相对于密间距引脚框架封装的都不容易损坏，并且标准允许选择性地减少接触点，以满足特殊的输入输出（）要求。当为元件建立接触点布局和引线排列时，封装开发者必须考虑芯片设计以及芯片块的尺寸和形状。在技术引线排列时的另一个要面对的问题是芯片的方向 芯片模块的焊盘向上或向下。芯片模块“面朝上”的结构通常是当供应商正在使用（）（内插器）技术时才采用的。元件构造，以及在其制造中使用的材料结合，不在这个工业标准与指引中定义。每一个制造商都将企图将其特殊的结构胜任用户所定义的应用。例如 消费产品可能有一个相对良好的工作环境，而工业或汽车应用的产品经常必须运行在更大的压力条件下。取决于制造所选择材料的物理特性，可能要使用到倒装芯片或引线接合技术。因为芯片安装结构是刚性材料，芯片模块安装座一般以导体定中心，信号从芯片模块焊盘走入接