Pcb规模设计技术所向.pdf
Pcb 由于市场需要，印刷线路板早在五十年代初期已经开始了大规模的工业化生产，当时要紧是使用印刷及蚀刻法制造简单的单面线路板。到六十与七十年代随着电镀技术的引进其突破使线路板业有能力印制双面与多层板！直到八十与九十年代线路板的复杂的设计与严格的要求推动了 PCB 业迅速地进展及研发崭新的生产技术，随着大量新式材料，新式设备，新式测试仪器的相继涌现，印刷线路板已进一步向高密度的互连，高层，高性能，高可靠性，高附加值与自动化持续的方向进展！在过去短短几年，网络系统及通讯科技市场持续迅猛进展，电子业的科技相应迅速成长，线路板不但要有效的传送讯号，更要求不断向轻，薄，短小方向进展，因此，使用革新的技术来生产轻薄型的线路板是必定的趋势！在现代通信中，PCB 能够说是无处不用，成为众所周知的产品。PCB被广泛应用在电子 通信 医学 军事等各个领域.近年来,随着电子产品工艺尺寸的日益缩小 电路复杂度的提高,芯片面积不断减小，密度越来越高，使电子设计自动化与 PCB 不断的创新,对 PCB 的设计提出了更加严格的要求。我们明白，即使原理很正确，假如 PCB 的设计不当，很可能造成整个系统的不稳固，甚至不工作，使得调试更加困难。因此，在对的 PCB 设计时，应同任何芯片的 PCB 设计一样，务必认真认真考虑，使 PCB 的整体设计尽量合理，加快系统的开发速度 印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件与器件的支撑件。它提供电路元件与器件之间的电气连接。PCB 设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行 PCB 设计时。务必遵守 PCB 设计的通常原则，并应符合抗干扰设计的要求。PCB 设计的通常原则要使电子电路获得最佳性能，元器件的布且及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的 PCB。应遵循下列通常原则：一 1.布局首先，要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定 PCB 尺寸后。再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。在确定特殊元件的位置时要遵守下列原则：(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数与相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入与输出元件应尽量远离。(2)某 些元器件或者导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。(3)重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。(4)关于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相习惯。1、电路模块进行布局，实现同一功能的有关电路称之一个模块，电路模块中的元件应使用就近集中原则，同时数字电路与模拟电路分开。2、定位孔、标准孔等非安装孔周围 1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围 3.5mm（关于 M2.5）、4mm（关于 M3）内不得贴装元器件。3、卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。4、元器件的外侧距板边的距离为 5mm。5、贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。6、金属壳体元器件与金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于 2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于 3mm。7、发热元件不能紧邻导线与热敏元件；高热器件要均衡分布。8、电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计与扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。9、其它元器件的布置 所有 IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向 出现两个方向时，两个方向互相垂直。10、板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于 8mil(或者 0.2mm)。11、贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过。12、贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。13、有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。1.电路的全部元器件进行布局时，要符合下列原则：1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上。尽量减少与缩短各元器件之间的引线与连接。3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。通常电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观。而且装焊容易。易于批量生产。4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘通常不小于mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2 成 4：3。电路板面尺寸大于200 x150mm 时。应考虑电路板所受的机械强度。PCB 原材料 1 PCB 板材：最常用:FR-4（全玻璃纤维）、多层板最为常用 94V0（防火板）、单面板常用 CEM-3（半玻璃纤板）、单面板常用 FPC（软性板）2 PCB 厚度：常用的 2.0mm、1.6mm、1.2mm、1.0mm、0.8mm、0.6mm 3 PCB 的铜皮厚度：1.0 OZ 0.5OZ 4 温度:240-270 5 表面处理:裸铜、浸锡、镀镍、镀金等。6.PCB 板有单层 双层 多层板 二 PCB 制作工艺：1 流程：材料切割、钻孔、腐蚀、过绿油、丝印、表面处理、冲外形、测试。2 目前 PCB 同行设计的能力：最高设计层数:28 层;最大 Connections:30000 最小线宽:3Mil;最高速信号：3.125G 差分信号 最小线间距:4Mil;最大 Pad 数目：40000;最小过孔:8Mil;激光孔小至 4Mil.每块板最多 BGA 数：48 三 LAYOUT 的基本要求及规则：1 要求：原理图（确定好封装）、结构、2 基本流程：原理图及 PCB 封装的确定、将结构图转成 PCB 格式、将原理图导入 PCB、零件的摆放、走线、检查、生成GERBER。3 基本规则：根据我们厂的规则请参照PCB 作业规范 2、如何避免高频干扰？避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号与模拟信号之间的距离，或者加 ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构与输出阻抗(output impedance)，走线的特性阻抗，负载端的特性，走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式是靠端接(termination)与调整走线的拓朴。4、差分布线方式是如何实现的？差分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种，一为两条线走在同一走线层(side-by-side)，一为两条线走在上下相邻两层(over-under)。通常往常者 side-by-side 实现的方式较多。6、接收端差分线对之间可否加一匹配电阻？接收端差分线对间的匹配电阻通常会加,其值应等于差分阻抗的值。这样信号品质会好些。7、为何差分对的布线要靠近且平行？对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平行。所谓适当的靠近是由于这间距会影响到差分阻抗(differential impedance)的值,此值是设计差分对的重要参数。需要平行也是由于要保持差分阻抗的一致性。若两线忽远忽近,差分阻抗就会不一致,就会影响信号完整性(signal integrity)及时间延迟(timing delay)。、在高速 PCB 设计中，信号层的空白区域能够敷铜，而多个信号层的敷铜在接地与接电源上应如何分配？通常在空白区域的敷铜绝大部分情况是接地。只是在高速信号线旁敷铜时要注意敷铜与信号线的距离，由于所敷的铜会降低一点走线的特性阻抗。也要注意不要影响到它层的特性阻抗，比如在dual stripline 的结构时。通常软件自动产生测试点是否满足测试需求务必看对加测试点的规范是否符合测试机具的要求。另外，假如走线太密且加测试点的规范比较严，则有可能没办法自动对每段线都加上测试点，当然，需要手动补齐所要测试的地方。、若干 PCB 构成系统，各板之间的地线应如何连接？各个 PCB 板子相互连接之间的信号或者电源在动作时，比如 A板子有电源或者信号送到 B 板子，一定会有等量的电流从地层流回到 A板子(此为 Kirchoff current law)。这地层上的电流会找阻抗最小的地方流回去。因此，在各个不管是电源或者信号相互连接的接口处，分配给地层的管脚数不能太少，以降低阻抗，这样能够降低地层上的噪声。另外，也能够分析整个电流环路，特别是电流较大的部分，调整地层或者地线的接法，来操纵电流的走法(比如，在某处制造低阻抗，让大部分的电流从这个地方走)，降低对其它较敏感信号的影响。0、适当选择 PCB 与外壳接地的点的原则是什么？选择 PCB 与外壳接地点选择的原则是利用 chassis ground 提供低阻抗的路径给回流电流(returning current)及操纵此回流电流的路径。比如，通常在高频器件或者时钟产生器邻近能够借固定用的螺丝将 PCB 的地层与 chassis ground 做连接，以尽量缩小整个电流回路面积，也就减少电磁辐射。22、在电路板尺寸固定的情况下，假如设计中需要容纳更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走线密度，但是这样有可能导致走线的相互干扰增强，同时走线过细也使阻抗无法降低，请专家介绍在高速（100MHz）高密度 PCB 设计中的技巧?在设计高速高密度 PCB 时，串扰(crosstalk interference)确实是要特别注意的，由于它对时序(timing)与信号完整性(signal integrity)有很大的影响。下列提供几个注意的地方：1.操纵走线特性阻抗的连续与匹配。2.走线间距的大小。通常常看到的间距为两倍线宽。能够透过仿真来明白走线间距对时序及信号完整性的影响，找出可容忍的最小间距。不一致芯片信号的结果可能不一致。3.选择适当的端接方式。4.避免上下相邻两层的走线方向相同，甚至有走线正好上下重迭在一起，由于这种串扰比同层相邻走线的情形还大。5.利用盲埋孔(blind/buried via)来增加走线面积。但是 PCB 板的制作成本会增加。在实际执行时确实很难达到完全平行与等长，只是还是要尽量做到。除此以外，能够预留差分端接与共模端接，以缓与对时序与信号完整性的影响。24、滤波时选用电感，电容值的方法是什么？电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外，还要考虑瞬时电流的反应能力。假如 LC 的输出端会有机会需要瞬间输出大电流，则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度，增加纹波噪声(ripple noise)。电容值则与所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容的 ESR/ESL 也会有影响。另外，假如这 LC 是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时，还要注意此 LC 所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈操纵(negative feedback control)回路稳固度的影响。26、当一块 PCB 板中有多个数/模功能块时，常规做法是要将数/模地分开，原因何在？将数/模地分开的原因是由于数字电路在高低电位切换时会在电源与地产生噪声，噪声的大小跟信号的速度及电流大小有关。假如地平面上不分割且由数字区域电路所产生的噪声较大而模拟区域的电路又非常接近，则即使数模信号不交叉，模拟的信号依然会被地噪声干扰。也就是说数模地不分割的方式只能在模拟电路区域距产生大噪声的数字电路区域较远时使用。27、另一种作法是在确保数/模分开布局，且数/模信号走线相互不交叉的情况下，整个 PCB 板地不做分割，数/模地都连到这个地平面上。道理何在？数模信号走线不能交叉的要求是由于速度稍快的数字信号其返回电流路径(return current path)会尽量沿着走线的下方邻近的地流回数字信号的源头，若数模信号走线交叉，则返回电流所产生的噪声便会出现在模拟电路区域内。2、为何要铺铜？通常铺铜有几个方面原因。，EMC.关于大面积的地或者电源铺铜，会起到屏蔽作用，有些特殊地，如 PGND 起到防护作用。，PCB 工艺要求。通常为了保证电镀效果，或者者层压不变形，关于布线较少的PCB 板层铺铜。，信号完整性要求，给高频数字信号一个完整的回流路径，并减少直流网络的布线。当然还有散热，特殊器件安装要求铺铜等等原因。51、在数字与模拟并存的系统中，有 2 种处理方法，一个是数字地与模拟地分开，比如在地层，数字地是独立地一块，模拟地独立一块，单点用铜皮或者 FB 磁珠连接，而电源不分开；另一种是模拟电源与数字电源分开用 FB 连接，而地是统一 接地。请问李先生，这两种方法效果是否一样？应该说从原理上讲是一样的。由于电源与地对高频信号是等效的。区分模拟与数 字部分的目的是为了抗干扰，要紧是数字电路对模拟电路的干扰。2.3.2 自动布局 PowerPCB 提供了自动布局与自动的局部簇布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。2.3.3 注意事项 a.布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起 b.数字器件与模拟器件要分开，尽量远离 c.去耦电容尽量靠近器件的 VCC d.放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集 2.4 布线 布线的方式也有两种，手工布线与自动布线。PowerPCB 提供的手工布线功能十分强大，包含自动推挤、在线设计规则检查（DRC），自动布线由 Specctra 的布线引擎进行，通常这两种方法配合使用，常用的步骤是手工自动手工。2.4.1 手工布线 1.自动布线前，先用手工布一些重要的网络，比如高频时钟、主电源等，这些网络往往对走线距离、线宽、线间距、屏蔽等有特殊的要求；另外一些特殊封装，如 BGA，自动布线很难布得有规则，也要用手工布线。2.自动布线以后，还要用手工布线对 PCB 的走线进行调整。2.4.2 自动布线 手工布线结束以后，剩下的网络就交给自动布线器来自布。选择Tools-SPECCTRA，启动 Specctra 布线器的接口，设置好 DO 文件，按 Continue 就启动了 Specctra 布线器自动布线，结束后假如布通率为 100%，那么就能够进行手工调整布线了；假如不到 100%，说明布局或者手工布线有问题，需要调整布局或者手工布线，直至全部布通为止。2.4.3 注意事项 a.电源线与地线尽量加粗 b.去耦电容尽量与 VCC 直接连接 d.假如有混合电源层，应该将该层定义为 Split/mixed Plane，在布线之前将其分割，布完线之后，使用 Pour Manager的Plane Connect进行覆铜 e.将所有的器件管脚设置为热焊盘方式，做法是将 Filter 设为 Pins，选中所有的管脚，修改属性，在 Thermal 选项前打勾 f.手动布线时把 DRC 选项打开，使用动态布线（Dynamic Route）2.5 检查 检查的项目有间距（Clearance）、连接性（Connectivity）、高速规则（High Speed）与电源层（Plane），这些项目能够选择Tools-Verify Design 进行。假如设置了高速规则，务必检查，否则能够跳过这一项。检查出错误，务必修改布局与布线。注意：有些错误能够忽略，比如有些接插件的 Outline 的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线与过孔之后，都要重新覆铜一次。2.6 复查 复查根据“PCB 检查表”，内容包含设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置；还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放与连接等。复查不合格，设计者要修改布局与布线，合格之后，复查者与设计者分别签字。四抗干扰 印制板尽量使用 45 折线而不用 90 折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。单面板与双面板用单点接电源与单点接地、电源线、地线尽量粗 元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地。高速线要短要直。2 设计流程 PCB 的设计流程分为网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出六个步骤.2.2 规则设置 假如在原理图设计阶段就已经把PCB 的设计规则设置好的话，就不用再进行设置这些规则了，由于输入网表时，设计规则已随网表输入进PowerPCB 了。假如修改了设计规则，务必同步原理图，保证原理图与 PCB 的一致。除了设计规则与层定义外，还有一些规则需要设置，比如 Pad Stacks，需要修改标准过孔的大小。假如设计者新建了一个焊盘或者过孔，一定要加上 Layer 25
