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PCB設(shè)計(jì)與制作方案

2020/07/29
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1. PCB 組成

PCB 包含兩個(gè)重要的組成部分:Core 和 PP(Prepreg,半固態(tài)片)。

Core 的兩個(gè)表面都鋪有銅箔,用作導(dǎo)電層,兩個(gè)表層之間填充以固態(tài)材料,其由增強(qiáng)材料玻璃纖維浸以固態(tài)樹(shù)脂組成。

PP 的表面沒(méi)有銅箔,其由半固態(tài)樹(shù)脂和玻璃纖維組成,相比 Core 要軟一些,其構(gòu)成所謂的浸潤(rùn)層,在 PCB 中主要起填充作用,用以粘合芯板 Core。工廠生產(chǎn)時(shí),浸潤(rùn)層一般無(wú)法做到超出 3 個(gè) PP(厚度大概在 20mil 左右)。正由于 PP 的半固態(tài)特性,制作完成的各 PCB 中的 PP 厚度也會(huì)有所偏差,因此,阻抗控制的一致性也可能存在偏差。

配合使用 Core 和 PP 以實(shí)現(xiàn)多層 PCB 的設(shè)計(jì)制作。

2. 銅箔

銅箔厚度經(jīng)常以盎司(oz)為單位進(jìn)行表示,oz 本是質(zhì)量單位(黃金白銀大家都懂得),銅箔的 1oz 表示將 1oz 質(zhì)量(28.35g)的銅箔均勻地鋪在 1 平方英尺面積上,其厚度是 1.37mil,約為 1.4mil=35um。

電路板常用的銅箔材料主要分為壓延銅箔和電解銅箔,壓延銅箔分子嚴(yán)密,表面更平滑(有利于高速信號(hào)的傳播),耐折性和柔性較好,不易斷,因此一般應(yīng)用于有彎折要求的產(chǎn)品上。

3. PCB 板材

使用最多的 PCB 板材是 FR4,其以玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料,以環(huán)氧樹(shù)脂作為粘合劑。

另一種是家電等行業(yè)使用較多的復(fù)合基板 CEM1,其以木漿纖維紙或棉漿纖維紙作為芯材增強(qiáng)材料,以玻璃纖維布作為表層增強(qiáng)材料,兩者都浸以阻燃環(huán)氧樹(shù)脂。該板材主要使用于單面板場(chǎng)合。其機(jī)械強(qiáng)度要低于 FR4 板材,但是價(jià)格相對(duì)便宜一些,也具有阻燃特性。

PCB 材質(zhì)主要參數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)和材質(zhì)損耗角,兩者組合在一起可以表示復(fù)介電常數(shù),相對(duì)介電常數(shù)越大,信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度越慢;材質(zhì)損耗角越大,介質(zhì)損耗越大。因此在高速信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)中,會(huì)盡量選擇介電常數(shù)和材質(zhì)損耗角小的材質(zhì),相應(yīng)地,成本也會(huì)變高。

4. PCB 層疊結(jié)構(gòu)和阻抗設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的信號(hào)阻抗類(lèi)型有單端 50 歐,差分 100 歐,單端射頻 50 歐等等,阻抗參數(shù)可以通過(guò)軟件 Si9000 進(jìn)行計(jì)算得到,本文不詳述,后續(xù)單獨(dú)寫(xiě)一篇常見(jiàn)阻抗計(jì)算的文章進(jìn)行說(shuō)明。需要特別提及的一點(diǎn)是單端射頻線的 50 歐阻抗控制,射頻線一般走在表層,而且為了增強(qiáng)抗擾能力和減小損耗,相比普通信號(hào),射頻線需要更粗的線寬,一般至少在 15mil。在上篇文章中我們知道,控制特性阻抗不變的情況下,加大線寬的同時(shí)必須增加信號(hào)線到參考層的距離,所以表層的射頻線需要隔層參考第三層,在表層射頻走線下方的第二層做挖空處理。

工作中使用較多的 PCB 層疊是 12 層、8 層和 6 層,也有遇到過(guò) 20 層以上的。一般情況下,在規(guī)模稍大的公司中,PCB Layout 和原理圖設(shè)計(jì)是由不同的人完成的,但這不意味著硬件工程師就不需要懂 PCB 相關(guān)的知識(shí)了,恰恰相反,很多時(shí)候 Layout 工程師并不清楚板子上哪些信號(hào)最重要,哪些次之。因此,硬件工程師最好在原理圖上注明信號(hào)在 Layout 時(shí)的注意點(diǎn),并和 Layout 工程師積極溝通,指出其中的問(wèn)題點(diǎn)以協(xié)助其更改。這就要求硬件工程師也必須更加清楚 PCB Layout 相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),才能提出有效的指導(dǎo)意見(jiàn)。

實(shí)際工作中,多層板的層數(shù)一般都會(huì)由 Layout 工程師確定好,厚度一般都是 1.6mm 或 2mm,沒(méi)有特殊要求的話,板材也是 FR4 居多。PCB 的層疊設(shè)置有一些基本原則,對(duì)于提升信號(hào)完整性質(zhì)量來(lái)說(shuō)大有好處,我們可以按照這些原則檢查 Layout 工程師給出的設(shè)計(jì)是否合理,并提出改進(jìn)意見(jiàn)。

(1)電源平面與地平面盡可能靠近,最好是相鄰,因?yàn)閮蓚€(gè)完整平面可以構(gòu)成平面大電容,相當(dāng)于增加了去耦電容,降低了電源對(duì)地阻抗,有利于電源完整性 PI(PDN)。在實(shí)際 PCB 設(shè)計(jì)中,很難將所有的電源平面和地平面相鄰,但是一般可以在最中心的兩個(gè)相鄰疊層設(shè)置為電源平面和地平面,比如 8 層板的 4 層和 5 層,12 層板的 6 層和 7 層,這兩層緊密相鄰,具有良好的耦合效果。如果設(shè)計(jì)中有某個(gè)電源層的電源種類(lèi)較多,電源層會(huì)被分割地較為零碎,可將該電源層設(shè)置為緊鄰地層,以獲得相對(duì)較好的電容耦合效果,如 6 層為 GND,7 層設(shè)置為電源種類(lèi)較多的零碎電源層。8 層板和 12 層板常見(jiàn)比較好的層疊分配結(jié)構(gòu)分別如圖 1 和圖 2 所示(Altium Designer 中的層疊管理,使用 allegro 的話能夠根據(jù)層疊設(shè)置直觀地給出阻抗),圖中層疊的厚度尚未根據(jù)阻抗控制進(jìn)行優(yōu)化。

圖 1 8 層板常用層疊分配

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圖 2 12 層板常用層疊分配

(2)所有信號(hào)層(尤其是關(guān)鍵信號(hào))都盡可能與完整的平面(電源和地平面均可)相鄰,以保證完整可靠的回流平面和阻抗連續(xù)。高速信號(hào)尤其注意避免跨分割的情況。信號(hào)回流時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇與驅(qū)動(dòng)路徑阻抗最小的路徑作為返回路徑(形成傳輸線結(jié)構(gòu))。

(3)信號(hào)換層時(shí),最好不改變參考層;次之是如果參考層改變了,最好不改變參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性,而且在信號(hào)換層時(shí),在信號(hào)過(guò)孔附近添加和參考層網(wǎng)絡(luò)屬性相同的過(guò)孔,前面 MIPI 文章中關(guān)于 PCB 過(guò)孔曾有提及到;如果信號(hào)換層,參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性也發(fā)生了變化,最好能使兩個(gè)參考層越近越好。這些措施都是為了保證返回路徑的阻抗盡可能保持連續(xù),層間阻抗盡可能低,從而減小信號(hào)壓降和信號(hào)畸變。

(4)盡量避免兩個(gè)信號(hào)層(包括兩個(gè)電源層)之間相鄰,以減小串?dāng)_。實(shí)在難以避免的情況,相鄰信號(hào)層則應(yīng)該正交走線,一層橫向走線,一層縱向走線。

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公眾號(hào)“硬核電子”主筆,硬件工程師,從事過(guò)通訊行業(yè)、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品的硬件開(kāi)發(fā)相關(guān)工作,也會(huì)寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的固件,有記錄工作筆記和讀書(shū)心得的習(xí)慣,力求原創(chuàng),喜歡分享,從而獲得共同的成長(zhǎng)和進(jìn)步。