000-PCB设计

1第7章印刷电路板的可靠性设计主讲：庄奕琪元器件可靠性应用元器件可靠性应用与电路可靠性设计与电路可靠性设计CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6本章概要PCB基础PCB设计难点PCB选型PCB分层PCB分区PCB布局PCB接地PCB布线PCB热设计装配与测试2CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.1PCB基础相关术语PCB（PrintedCircuitBoard)：印刷电路板原理图：用电路原理图设计工具绘制、表达硬件电路中各种器件之间连接关系的图网络表：由原理图设计工具自动生成的、表达元器件电气连接关系的文本文件，一般包含元器件封装、网络拓扑结构和属性定义等信息布局：PCB设计过程中，按照设计要求把元器件放置到板上的过程布线：PCB设计过程中，按照设计要求，定义元器件之间连接关系及互连线的过程仿真：在器件模型支持下，利用EDA工具对PCB的布局、布线效果进行仿真分析，以便在PCB物理实现之前发现设计中存在的EMC、时序和可靠性等问题，并找出适当的解决方案CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.1PCB基础PCB开孔导通孔（via）：用于内层连接的金属化孔，但其中并不用于插入元件引线或其它增强材料盲孔（Blindvia）：从印制板内仅延展到一个表层的导通孔埋孔（Buriedvia）：未延伸到印制板表面的导通孔过孔（Throughvia）：从印制板的一个表层延展到另一个表层的导通孔元件孔（Componenthole）：用于元件端子固定于印制板及导电图形电气联接的孔3CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.1PCB基础PCB制造流程下料内层钻孔内层线路曝光内层蚀刻内层检修内层测试棕化(黑化)压合外层钻孔黑孔一次铜干膜线路二次铜去膜蚀刻测试防焊印刷喷锡文字印刷成型测试成品如为单面或双面板，则无虚线所示工序。CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.1PCB基础PCB设计流程一、设计准备：对原理图进行分析和DRC检查；建立标准元件库；建立特殊元器件；印制板设计文件的建立；转网表。二、网表输入：将转换好的网表进行输入。三、规则设置：按照成品规格书的要求，将线宽、线距、层定义、过孔、全局参数等相关参数设置好。四、手工布局：根据印制板安装结构尺寸要求画出边框，参照原理图，结合机构进行布局，检查布局。五、手工布线：参照原理图进行预布线，检查布线是否符合电路模块要求；修改布线，并符合相应要求。（自动布线：根据原理图和已设置好的规则，进行自动布线。要求原理图无差错、规则设置无误方可进行。）六、检查完善：PCB制作初步完成，“铺铜”与“补铜”，进行连线、连通性、间距、“孤岛”、文字标识检查，并对其进行修改，使其符合要求。七、CAM输出：检查无误后，生成底片，到此PCB板制作完成。4CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.1PCB基础相关标准GB4588.3-88印制电路板设计和使用Q/DKBA-Y001-1999印制电路板CAD工艺设计规范TS-S0902010001信息技术设备PCB安规设计规范TS-SOE0199001电子设备的强迫风冷热设计规范TS-SOE0199002电子设备的自然冷却热设计规范IEC60194印制板设计、制造与组装术语与定义（PrintedCircuitBoarddesignmanufactureandassembly-termsanddefinitions）IPC-A-600F印制板的验收条件（Acceptablyofprintedboard）CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.2PCB设计难点PCB设计面临挑战PCB发展趋势PCB布线密度及布线层数↑PCB上芯片的管脚数及管脚的空间密度↑PCB上元器件的工作频率或工作速度↑不同类型的元器件集成于同一PCB板上移动设备要求PCB的面积↓，供电电压↓PCB的设计挑战如何抑制元器件之间、导线之间、不同类型电路之间的相互干扰？如何抑制来自外界的静电、浪涌、辐射等干扰？如何克服引线寄生效应对电路频率特性和可靠性的影响？5CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CPU&EmbeddedPlatformCustom(ASIC)LogicGlueLogicPCBFPGABootModuleCommunicationModuleVoltageRegulators/GeneratorsDRAMMemoryModulesCommunicationModuleDSPCustom(ASIC)LogicGlueLogicClockGenerators7.2PCB设计难点不同类型的芯片融于一板CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CCLKDONEM0M1M2PinBank3GIOClockPROG_BSingleEndedDoubleEnded7.2PCB设计难点不同类型的管脚融在一芯6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.2PCB设计难点PCB的高速化集成电路的高速化导致PCB的高速化CPU主频突破1GHz后，PCB的主频也突破了100MHzCopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型PCB基材:类型酚醛纸：易碎，工作温度窄，易吸潮，难以实现金属过孔等结构化工艺，现基本被淘汰环氧玻璃：机械强度高，电气性能好，应用普遍，以FR4序列为代表环氧-芳族聚酰胺：适用于布局更稠密、尺寸要求更大的板子聚酯或聚酰亚胺：适用于制造可弯曲的板子，聚酯较便宜，但软化温度低，不易焊接，聚酰亚胺较贵，但元器件安装容易综合质量7CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6两外层是玻璃布，中间是玻璃短纤所组成的席，环氧树脂，难燃CEM-3两外层是玻璃布，中间是木浆纸纤维，环氧树脂，难燃CEM-1玻璃席，聚脂类，难燃FR-6玻璃布，环氧树脂，高温并难燃FR-5玻璃布，环氧树脂，高温用途G-11玻璃布，环氧树脂，难燃FR-4玻璃布，环氧树脂，一般用途G-10纸基，环氧树脂，难燃FR-3组成及用途基板种类7.3PCB选型PCB基材:型号CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型PCB的频率要求若PCB上传输的时钟信号为100MHz，则PCB的允许工作频率要达到500MHz（以便包含时钟信号的五次谐波）8CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型如何提高PCB基材的频率:电介质正切↓电介质为理想绝缘材料(电阻无限大)电介质为非理想绝缘材料(存在有限电阻r)CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型如何提高PCB材料的频率:电介质正切↓PCB材料的电介质正切基本与频率无关（t为PCB板厚度，单位mm）9CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型如何提高PCB材料的频率:介电常数↓介电常数越大，电磁场越容易通过，噪声干扰越大，同时高频损耗也越大（t为PCB板厚度，单位mm）普通介电常数材料，4.2~4.6@1GHz，随频率变化较大低介电常数材料，3.9@1GHz，随频率变化较小CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型材质的选择适合高速电路，成本较高适合普通电路，成本较低10CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型材质的选择(续)CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型结构类型的选择单面板：低成本，低性能双面板：过孔未金属化，组装密度低软板：薄且柔软，可用于替换导线束，但不易维修金属化过孔双面板：使用金属化过孔来连接两面的电路硬化软板：部分硬化，便于安装刚性元件多层板：通过金属化过孔和埋孔实现层间连接，密度可极高，造价昂贵软化硬板：部分软化，可用于多个刚性多层板之间的柔软化连接制造成本11CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型外形尺寸的选择标准化：优先使用标准化的尺寸（如100x160mm、233x160mm等），便于多PCB板系统的组装归一化：使用大的电路板代替若干小的电路板，可以节省板间相互连接的元件费用以及制板费用，但也可能造成部分板面积的浪费，昀好将长边尺寸限制在30～50cm之下不同电路板之间的分割依据：相互联接数目昀少，每块板子上的元件规模相当，有利于子板测试嵌板：将多块子板拼在一个基板上一次性制作，昀后再将其分离，有利于降低制板成本，但要求各个子板的层数相同CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.6CopyrightbyYiqiZhuang2009V4.67.3PCB选型多层板层数的确定应用PCB设计工具统计出的网络数量、网络密度、平均管脚密度、工作频率等基本参数，确定所需要的信号布线层数根据下表确定参考层数：14100.21280.2-0.