一、布線(xiàn)
在PCB設(shè)計(jì)中,布線(xiàn)是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟,可以說(shuō)前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的,在整個(gè)PCB中,以布線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高,技巧最細(xì)、工作量最大。
PCB布線(xiàn)有單面布線(xiàn)、雙面布線(xiàn)及多層布線(xiàn)。布線(xiàn)的方式也有兩種:自動(dòng)布線(xiàn)及交互式布線(xiàn),在自動(dòng)布線(xiàn)之前, 可以用交互式預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn),輸入端與輸出端的邊線(xiàn)應(yīng)避免相鄰平行,以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線(xiàn)隔離,兩相鄰層的布線(xiàn)要互相垂直,平行容易產(chǎn)生寄生耦合。
自動(dòng)布線(xiàn)的布通率,依賴(lài)于良好的布局,布線(xiàn)規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定, 包括走線(xiàn)的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線(xiàn),快速地把短線(xiàn)連通,然后進(jìn)行迷宮式布線(xiàn),先把要布的連線(xiàn)進(jìn)行全局的布線(xiàn)路徑優(yōu)化,它可以根據(jù)需要斷開(kāi)已布的線(xiàn)。并試著重新再布線(xiàn),以改進(jìn)總體效果。
對(duì)目前高密度的PCB設(shè)計(jì)已感覺(jué)到貫通孔不太適應(yīng)了, 它浪費(fèi)了許多寶貴的布線(xiàn)通道,為解決這一矛盾,出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù),它不僅完成了導(dǎo)通孔的作用,還省出許多布線(xiàn)通道使布線(xiàn)過(guò)程完成得更加方便,更加流暢,更為完善,PCB 板的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜而又簡(jiǎn)單的過(guò)程,要想很好地掌握它,還需廣大電子工程設(shè)計(jì)人員去自已體會(huì),才能得到其中的真諦。
1、電源、地線(xiàn)的處理
既使在整個(gè)PCB板中的布線(xiàn)完成得都很好,但由于電源、 地線(xiàn)的考慮不周到而引起的干擾,會(huì)使產(chǎn)品的性能下降,有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、地線(xiàn)的布線(xiàn)要認(rèn)真對(duì)待,把電、地線(xiàn)所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
對(duì)每個(gè)從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程人員來(lái)說(shuō)都明白地線(xiàn)與電源線(xiàn)之間噪音所產(chǎn)生的原因, 現(xiàn)只對(duì)降低式抑制噪音作以表述:
· 眾所周知的是在電源、地線(xiàn)之間加上去耦電容。
· 盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度,最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬,它們的關(guān)系是:地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號(hào)線(xiàn),通常信號(hào)線(xiàn)寬為:0.2~0.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)0.05~0.07mm,電源線(xiàn)為1.2~2.5 mm
對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線(xiàn)組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地不能這樣使用)
· 用大面積銅層作地線(xiàn)用,在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用?;蚴亲龀啥鄬影?,電源,地線(xiàn)各占用一層。
2、數(shù)字電路與模擬電路的共地處理
現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路),而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線(xiàn)時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問(wèn)題,特別是地線(xiàn)上的噪音干擾。
數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強(qiáng),對(duì)信號(hào)線(xiàn)來(lái)說(shuō),高頻的信號(hào)線(xiàn)盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件,對(duì)地線(xiàn)來(lái)說(shuō),整人PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn),所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問(wèn)題,而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的它們之間互不相連,只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)。
數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接,請(qǐng)注意,只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的,這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定。
3、信號(hào)線(xiàn)布在電(地)層上
在多層印制板布線(xiàn)時(shí),由于在信號(hào)線(xiàn)層沒(méi)有布完的線(xiàn)剩下已經(jīng)不多,再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量,成本也相應(yīng)增加了,為解決這個(gè)矛盾,可以考慮在電(地)層上進(jìn)行布線(xiàn)。
首先應(yīng)考慮用電源層,其次才是地層。因?yàn)樽詈檬潜A舻貙拥耐暾浴?/span>
4、大面積導(dǎo)體中連接腿的處理
在大面積的接地(電)中,常用元器件的腿與其連接,對(duì)連接腿的處理需要進(jìn)行綜合的考慮,就電氣性能而言,元件腿的焊盤(pán)與銅面滿(mǎn)接為好,但對(duì)元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如:
· 焊接需要大功率加熱器。
· 容易造成虛焊點(diǎn)。所以兼顧電氣性能與工藝需要,做成十字花焊盤(pán),稱(chēng)之為熱隔離(heat shield)俗稱(chēng)熱焊盤(pán)(Thermal),
這樣,可使在焊接時(shí)因截面過(guò)分散熱而產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的可能性大大減少。多層板的接電(地)層腿的處理相同。
5、布線(xiàn)中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用
在許多CAD系統(tǒng)中,布線(xiàn)是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過(guò)密,通路雖然有所增加,但步進(jìn)太小,圖場(chǎng)的數(shù)據(jù)量過(guò)大,這必然對(duì)設(shè)備的存貯空間有更高的要求,同時(shí)也對(duì)象計(jì)算機(jī)類(lèi)電子產(chǎn)品的運(yùn)算速度有極大的影響。
而有些通路是無(wú)效的,如被元件腿的焊盤(pán)占用的或被安裝孔、定們孔所占用的等。網(wǎng)格過(guò)疏,通路太少對(duì)布通率的影響極大。所以要有一個(gè)疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來(lái)支持布線(xiàn)的進(jìn)行。
標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù),如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
6、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)
布線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后,需認(rèn)真檢查布線(xiàn)設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則,同時(shí)也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求,一般檢查有如下幾個(gè)方面:
· 線(xiàn)與線(xiàn),線(xiàn)與元件焊盤(pán),線(xiàn)與貫通孔,元件焊盤(pán)與貫通孔,貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理,是否滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。
· 電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度是否合適,電源與地線(xiàn)之間是否緊耦合(低的波阻抗)?在PCB中是否還有能讓地線(xiàn)加寬的地方。
· 對(duì)于關(guān)鍵的信號(hào)線(xiàn)是否采取了最佳措施,如長(zhǎng)度最短,加保護(hù)線(xiàn),輸入線(xiàn)及輸出線(xiàn)被明顯地分開(kāi)。
· 模擬電路和數(shù)字電路部分,是否有各自獨(dú)立的地線(xiàn)。
· 后加在PCB中的圖形(如圖標(biāo)、注標(biāo))是否會(huì)造成信號(hào)短路。
· 對(duì)一些不理想的線(xiàn)形進(jìn)行修改。
· 在PCB上是否加有工藝線(xiàn)?阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求,阻焊尺寸是否合適,字符標(biāo)志是否壓在器件焊盤(pán)上,以免影響電裝質(zhì)量。
· 多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小,如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。
7、檢查是否有銳角、阻抗不連續(xù)點(diǎn)等
1)對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō),當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的拐彎處呈現(xiàn)直角甚至銳角時(shí),在靠近彎角的部位,磁通密度及電場(chǎng)強(qiáng)度都比較高,會(huì)輻射較強(qiáng)的電磁波,而且此處的電感量會(huì)比較大,感抗便也比鈍角或圓角要大一些。
2)對(duì)于數(shù)字電路的總線(xiàn)布線(xiàn)來(lái)說(shuō),布線(xiàn)拐彎呈現(xiàn)鈍角或圓角,布線(xiàn)所占的面積比較小。在相同的線(xiàn)間距條件下,總的線(xiàn)間距所占的寬度要比直角拐彎的少0.3倍。
8、檢查3W、3H原則
1)時(shí)鐘、復(fù)位、100M以上信號(hào)以及一些關(guān)鍵的總線(xiàn)信號(hào)等與其他信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)必須滿(mǎn)足3W原則,同層和相鄰層無(wú)較長(zhǎng)平行走線(xiàn),且鏈路上過(guò)孔盡量少。
2)高速信號(hào)的過(guò)孔數(shù)量問(wèn)題,有些器件指導(dǎo)書(shū)上一般對(duì)高速信號(hào)的過(guò)孔數(shù)量要求比較嚴(yán)格,咨詢(xún)互連的原則的是除了必須的管腳fanout過(guò)孔外,嚴(yán)禁在內(nèi)層打多余的過(guò)孔,他們布過(guò)8G的PCIE 3.0的走線(xiàn),也打過(guò)4個(gè)過(guò)孔,沒(méi)有問(wèn)題。
3)同層時(shí)鐘及高速信號(hào)中心距需嚴(yán)格滿(mǎn)足3H(H為走線(xiàn)層到回流平面間距);相鄰層的信號(hào)嚴(yán)禁重疊,建議也滿(mǎn)足3H的原則,關(guān)于上述的串?dāng)_問(wèn)題,有工具可以檢查的。
二、布線(xiàn)約束
布線(xiàn)約束:層分布布線(xiàn)約束:層分布
RF單板的層疊結(jié)構(gòu)
1、布線(xiàn)約束:基本要求
1)走線(xiàn)要求盡量最短,不走閉環(huán),不走銳角直角,線(xiàn)的寬度一致,沒(méi)有浮空線(xiàn)。
2)差分信號(hào)線(xiàn)一般都是走的高速信號(hào),其要滿(mǎn)足阻抗的對(duì)稱(chēng)性,差分線(xiàn)不能交叉走線(xiàn),線(xiàn)長(zhǎng)相差不能超過(guò)100mil,差分線(xiàn)之間和單個(gè)差分線(xiàn)到地之間都要滿(mǎn)足阻抗要求。差分走線(xiàn)過(guò)孔不能超過(guò)4個(gè),差分線(xiàn)對(duì)間的間距滿(mǎn)足3W規(guī)則。
3)一般晶振、pll濾波器件、模擬處理信號(hào)處理芯片、電感、變壓器下禁止走時(shí)鐘線(xiàn)、控制線(xiàn)、電磁敏感線(xiàn)。
4)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào),電源線(xiàn)與控制信號(hào)線(xiàn),弱信號(hào)與其他任何信號(hào)都不能并排走線(xiàn),應(yīng)該分層(最好有地隔離)或相距較遠(yuǎn)走線(xiàn)。如果分層相鄰層的線(xiàn)與線(xiàn)之間要交叉走線(xiàn),不能并行走線(xiàn)。為了減少線(xiàn)間串?dāng)_,應(yīng)保證線(xiàn)間距足夠大,當(dāng)線(xiàn)中心間距不少于3倍線(xiàn)寬時(shí),則可保持70%的電場(chǎng)不互相干擾,稱(chēng)為3W規(guī)則。如要達(dá)到98%的電場(chǎng)不互相干擾,可使用10W的間距。(注:時(shí)鐘布線(xiàn)的時(shí)候,一定要注意和數(shù)據(jù)線(xiàn)、控制信號(hào)線(xiàn)的有效隔離,距離越遠(yuǎn)越好,盡可能不要布在同層。)
5)強(qiáng)輻射信號(hào)線(xiàn)(高頻、高速,尤以時(shí)鐘線(xiàn)為甚)不要靠近接口、拉手條等以防對(duì)外輻射。
6)敏感信號(hào)(主要指:弱信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、比較器的輸入信號(hào)、AD的參考電源、鎖相環(huán)濾波信號(hào)、芯片內(nèi)部的PLL電路的濾波部分。)布線(xiàn)應(yīng)該盡可能短,不靠近強(qiáng)輻射信號(hào),不放在板的邊緣,離外金屬框架15mm以上。長(zhǎng)距離走線(xiàn)時(shí)可以包地(應(yīng)注意包地可能會(huì)引起阻抗變化)、內(nèi)層走線(xiàn)。另外,對(duì)于ESD較弱的芯片的走線(xiàn),建議內(nèi)層走線(xiàn),可以減弱芯片損壞的概率。
2、布線(xiàn)約束:電源
1)注意電源退耦、濾波,防止不同單元通過(guò)電源線(xiàn)產(chǎn)生干擾,電源布線(xiàn)時(shí)電源線(xiàn)之間應(yīng)相互隔離。電源線(xiàn)與其它強(qiáng)干擾線(xiàn)(如CLK)用地線(xiàn)隔離。
2)小信號(hào)放大器的電源布線(xiàn)需要地銅皮及接地過(guò)孔隔離,避免其它EMI干擾竄入,進(jìn)而惡化本級(jí)信號(hào)質(zhì)量。
3)不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾,特別是一些電壓相差很大的電源之間,電源平面的重疊問(wèn)題一定要設(shè)法避免,難以避免時(shí)可考慮中間隔地層。
3、布線(xiàn)約束:電源過(guò)流能力
1)電源部分導(dǎo)線(xiàn)印制線(xiàn)在層間轉(zhuǎn)接的過(guò)孔數(shù)符合通過(guò)電流的要求(1A/Ф0.3mm 孔)
2)PCB的POWER部分的銅箔尺寸符合其流過(guò)的最大電流,并考慮余量(一般參考為1A/mm線(xiàn)寬)
4、布線(xiàn)約束:接地方法
1)接地線(xiàn)要短而直,減少分布電感,減小公共地阻抗所產(chǎn)生的干擾。
調(diào)整各組內(nèi)濾波電容方向,縮小地回路。如圖15所示的三個(gè)濾波電容,接地偏向于相關(guān)的RF 器件方向,尤其是高頻濾波電容。
2)RF 主信號(hào)路徑上的接地器件和電源濾波電容需要接地時(shí),為減小器件接地電感,要求就近接地。
3)有些元件的底部是接地的金屬殼,要在元件的投影區(qū)內(nèi)加一些接地孔,投影區(qū)內(nèi)的表面層不得布信號(hào)線(xiàn)和過(guò)孔;
4)接地線(xiàn)需要走一定的距離時(shí),應(yīng)加粗走線(xiàn)線(xiàn)寬、縮短走線(xiàn)長(zhǎng)度,禁止接近和超過(guò)1/4導(dǎo)引波長(zhǎng),以防止天線(xiàn)效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)輻射;
5)除特殊用途外,不得有孤立銅皮,銅皮上一定要加地線(xiàn)過(guò)孔
6)對(duì)某些敏感電路、有強(qiáng)烈輻射源的電路分別放在屏蔽腔內(nèi),裝配時(shí)屏蔽腔壓在PCB表面。PCB在設(shè)計(jì)時(shí)要加上“過(guò)孔屏蔽墻”,就是在PCB上與屏蔽腔壁緊貼的部位加上接地的過(guò)孔。如下圖12所示,要有兩排以上的過(guò)孔,兩排過(guò)孔相互錯(cuò)開(kāi),同一排的過(guò)孔間距在100mils左右。
5、布線(xiàn)約束:通用規(guī)則
1)PCB頂層走RF信號(hào),RF信號(hào)下面的平面層必須是完整的接地平面,形成微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)。如圖13所示。要保證微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)完整性,必須做到:同層內(nèi)微帶線(xiàn)要做包地銅皮處理,建議地銅皮邊緣離微帶線(xiàn)邊緣有3H的寬度。H表示介質(zhì)層厚度。在3H范圍內(nèi),不得有其它信號(hào)過(guò)孔。禁止RF 信號(hào)走線(xiàn)跨第二層的地平面縫隙。非耦合微帶線(xiàn)間要加地銅皮,并在地銅皮上加地過(guò)孔。
微帶線(xiàn)至屏蔽壁距離應(yīng)保持為3H以上。微帶線(xiàn)不得跨第二層地平面的分割線(xiàn)。
2)要求地銅皮到信號(hào)走線(xiàn)間隔≥3H。
3)地銅皮邊緣加地線(xiàn)孔,孔間距約在100mils左右,均勻整齊排列;
4)地線(xiàn)銅皮邊緣要光滑、平整,禁止尖銳毛刺;
5)RF信號(hào)布線(xiàn)周?chē)绻嬖谄渌黂F信號(hào)線(xiàn),就要在兩者之間輔地銅皮,并在地銅皮上間隔100mils左右加一個(gè)接地過(guò)孔,起隔離作用。
6)RF信號(hào)布線(xiàn)周?chē)绻嬖谄渌幌嚓P(guān)的非RF信號(hào)(如過(guò)路電源線(xiàn)),要在兩者間輔地銅皮,并每隔100mils左右加一個(gè)接地過(guò)孔。
7)RF信號(hào)過(guò)孔與內(nèi)層的其它布線(xiàn)靠近,如左圖所示的過(guò)路電源線(xiàn)靠近了RF信號(hào)過(guò)孔,電源線(xiàn)上的EMI 干擾會(huì)竄入RF布線(xiàn),所以要采用圖14右圖正確的布線(xiàn)方法,在電源線(xiàn)與RF信號(hào)過(guò)孔間輔地并加地過(guò)孔,起隔離作用。有時(shí)內(nèi)層的RF信號(hào)線(xiàn)與其它有較強(qiáng)干擾的信號(hào)(如過(guò)路電源線(xiàn))過(guò)孔靠近,也采用同樣的方法輔地并加地過(guò)孔。
8)器件安裝孔是非金屬化孔時(shí),RF 信號(hào)布線(xiàn)要遠(yuǎn)離器件安裝孔。需要在RF信號(hào)布線(xiàn)與安裝孔間輔進(jìn)地銅皮,并加接地過(guò)孔。
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