PCB设计和加工

InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCBDesign&Fabrication互连设计部胡庆虎January，2005TechnicalSeminarInterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu目录•PCB历史•PCB制造者眼中的PCB•PCB设计者眼中的PCB•DFM－Standard/Guide/Rule/Constrain•PCB的质量观•PCB设计和制造的未来InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB历史回顾•PCB历史产生•PCB制造是博士的发明•PCB工艺的成熟•PCB设计业的发展•PCB标准的形成•世界电子电路大会InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB的价值•印制线路板从发明至今，已经60年历史，比晶体管的诞生还要早10年。日本PCB行业专家小林正先生说“如果没有电脑和信息，电子设备等于一个普通的箱子；如果没有半导体和线路板，电子元件就是普通的石头”。电子信息领域中的一切电气互联和装配必须依靠线路板。•第八届世界电子电路大会在总结PCB的60年发展历史时指出：没有PCB，没有电子线路，飞行、交通、原子能、计算机、宇航、通信、电话…，这一切都无法实现。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB设计行业•直接飞接•手工贴图•PCB设计工具•EDA行业形成–2003年是EDA技术行业诞生40年，在业界生产的嵌入式微控制器数量已超过麦当劳卖出汉堡包（1,000亿以上）的今天，设计和制造比任何时候，更依赖工具和设备。EDA设计工具，转变了作业方法，要比过去任何时候都显更为重要。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu目录•PCB历史•PCB制造者眼中的PCB•PCB设计者眼中的PCB•DFM－Standard/Guide/Rule/Constrain•PCB的质量观•PCB设计和制造的未来InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB上的导线魔鬼存在细节中InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB上的过孔过孔的寄生电容－延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/(D2-D1)举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps。从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，还是要慎重考虑的。过孔的寄生电感－过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。简单地计算一个过孔近似的寄生电感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH。如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略。旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB上的基本常识综合设计技能－基本常数综合设计技能－基本常数ORIGINALCMOSTTL,HCMOSLSTTLFCTECL100K3.3VCMOS0.35CMOSASIC0.18CMOS3.125GbpsSerdes10GbpsSerdes60ns11ns5.5ns1ns1ns0.5ns0.3ns0.2ns0.050ns0.025ns6MHz32MHz64MHz350MHz350MHz700MHz1200MHz1750MHz7000MHz14000MHzRise/FallTimeEquivalentEdgeBandwidth基本参数IfLinedelay20%ofdriverrisetime•Zh50to80Ohms•v135to210ps/inch•v55to80ps/cm•Er3.5to4.7•visconstant(Er)–soLoandCoInterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB的本质•PCB设计者眼中的PCB变迁•PCB是一个特殊的支撑性器件•PCB是一个无源电气互连系统•PCB是信号传输的关键物理通道•互连设计诞生（InterconnectDesign）InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu互连设计的理论基础－信号和传输InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuHighPerformanceInterconnectsS参量矩阵(!!!)Z参量矩阵Y参量矩阵[Z]=[Y]-1h参量矩阵ABCD参量矩阵InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuDFMStandard/Rule/Guide/Constrain/ToleranceDFM内容＝设计规则，工艺规则，所有规则的分析建立和传递；－按规律办事！1.关注细节：表面处理，钻孔和对位2.叠层设计Stackup：6层/8层板之争3.直通率和可靠性4.部分问题回答InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPCB标准树InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuGuideInterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghuPWBDesignGuideInterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu低损耗板材的影响InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu阻抗控制－为什么50欧姆？InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu低介电常数板材InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（一）问题：将差分阻抗线与其它单线分开，如差分阻抗6.1mil线宽/5.9间距,普通线6mil.这样容易识别差分线，以便有效的进行补偿与控制;答复:提议非常的好！问题简单，但解决方案比较复杂。正在努力考虑设计过程的解决措施。问题：字符或字符框离线路焊盘距离能够大于或等于8mil；答复：要求比较难满足。单板的条件允许下，尽量按照8mil来做。8mil是否太大了些？问题：拉手条位及高频板；答复：在drill层标注上，细致观察，找到拉手条的固定孔，一般能够看出手条位。对于高频板，会在阻抗控制表中标识，一般都有阻抗控制要求。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（二）问题：同样的产品，阻抗结果相同，但一个客户可以调试出，另一个却调不出;答复：我们通常关注传输线指标中的特征阻抗，但特征阻抗不是唯一的指标。其它指标还有插入损耗（Q值）、时延等。不同的客户调试环境不同，因此也会产生不同的调试结果。这类问题，需要具体问题具体分析，才能得出确切的答案。问题：孤岛铜或Clearance间铜桥对射频信号的影响答复：一般RF信号不允许有孤岛铜皮。在高速信号中，出于加工时电流密度均匀考虑，孤岛铜距离高频信号超过3H距离的孤岛铜是没有影响的。H为微带介质厚度。但通常规定超过一个固定值，如50mil。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（三）问题：更换板材后调试不出信号可能是什么原因？答复：不同的板材有不同的特性，不仅仅只会影响走线的特征阻抗，还要损耗等，不能够轻易更换板材！具体情况需要细致分析，才能决定是否更换板材。问题：如果设计容差大，生产控制稳定，且经过样板测试，是否可以不监控阻抗，仅保证线宽稳定即可保证量产？答复：部分要求不高的产品，从理论上说是可以的，但依赖技术控制能力。对阻抗控制要求较严，所以还是需要监控阻抗。问题：阻抗公差一般要求+/-10%，也有+/-15%，在设计时是根据什么提出这个要求的？答复：是根据整个系统或电路指标提出这个要求的。通常情况下，低速数字单板，电源板等对阻抗控制没有过多的要求。对于高速信号单板、射频单板等对阻抗控制有较严的要求。有些单板甚至对阻抗有+/-5%的要求。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（四）问题：介电常数影响阻抗，介质损耗影响什么？哪些因素又影响了介质损耗？答复：板材的介电常数是影响阻抗的几个因素之一。介质损耗影响传输线的插入损耗，就是信号的衰减。如果信号衰减太大，接收到的信号有效幅度就会变小。无论是数字信号还是射频信号都是这样。介质损耗的大小主要由介质损耗角的大小来决定，介质损耗角的大小由板材本身决定。问题：对PCB制作要求：从板材，阻焊材料，线路图形控制，阻抗要求和其它工艺过程控制。答复：板材和阻抗要求，通常会在drill层标注清楚。对于阻焊材料，其它工艺过程控制等由通用规范约束，有特殊要求的，设计人员在drill层标注。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（五）问题：阻抗不匹配会，如线路阻抗低于元器件或高于元器件会有什么结果或现象？答复：阻抗不匹配，就会引起线路上的传输信号反射，直到达到平衡为止。使数字信号出现过冲、台阶、回钩等波形。使射频信号出现驻波现象，能接收到的有效信号幅度会减小。ZsZoZL源端反射系数：(Zs-Zo)/(Zs+Zo)末端反射系数：(ZL-Zo)/(ZL+Zo)InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQinghu问题答复（六）问题：目前我们使用的阻抗测试机差分阻抗信号的相差为180度，实际产品上也是如此吗？有没有信号相差为0的差分阻抗？答复：在实际产品上，差分信号的相差十分接近或等于180度。差分阻抗的定义就是以180的相差来定义的。不存在信号相差为0的差分线。问题：RF基本原理，影响因素。答复：笼统的说，RF的基本原理就是麦克斯韦方程。通常情况下，都是按照具体RF器件类型来说明其基本原理的。影响因素：从PCB角度来说，板材、层叠、加工精度等都会对RF单板的指标和功能有影响。他们的本质都是对阻抗控制的影响。InterconnectDesign－PCBDesign&FabricationHuQingh