应用可靠性7_PCB设计

1电子元器件的可靠性应用第7章印刷电路板的可靠性设计主讲：庄奕琪CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7本章概要„概述„PCB分层„PCB布局„PCB布线„PCB热设计„装配与测试2CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.1概述PCB可靠性面临挑战„PCB的发展趋势„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增加↑„不同类型(数字、模拟、功率、射频等）的元器件集成于同一个PCB板上„移动设备要求PCB的面积↓，供电电压↓„PCB的可靠性挑战„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？„如何加强散热能力？CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7CPU&EmbeddedPlatformCustom(ASIC)LogicGlueLogicPCBFPGABootModuleCommunicationModuleVoltageRegulators/GeneratorsDRAMMemoryModulesCommunicationModuleDSPCustom(ASIC)LogicGlueLogicClockGenerators7.1概述不同类型的芯片融于一板3CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7CCLKDONEM0M1M2PinBank3GIOClockPROG_BSingleEndedDoubleEnded7.1概述不同类型的管脚融在一芯CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层分层基本规则„尽量采用多层板：多层板优于双面板，双面板优于单面板，有利于加强信号层屏蔽及电源层去耦，缩短引线，但成本上升„电源层昀好紧邻接地层且在接地层内侧：可利用层间介质产生一个几乎为整板面积的大的电源滤波电容（对介电常数4.7、厚度0.1mm、面积10cm见方的玻璃环氧树脂板，电容约为4000pF），且可利用地线层的屏蔽作用„信号层昀好不要相邻：特别是易产生干扰的信号层（如高频、大功率信号层）与易被干扰的信号层（如小电平信号层）不要相邻，以减少相互之间的串扰„地层的屏蔽作用优于电源层：易产生干扰或者易被干扰的信号层昀好靠近地层，而不是电源层„中间层的覆铜密度昀好相当：否则会形成层叠不平整导致制造问题。如出现这种情况，昀好将所有的空白处添铜，并使其接地或电源4CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层4层板(1)抗EMI昀佳信号层同时被地层和电源层屏蔽，但只有1个信号层，且不易修整抗EMI昀差有2个信号层，内层信号线间容易串扰，不利于高速信号传输抗EMI较好也有2个信号层，容易修整，地层与电源层形成大的滤波电容，但信号层EMI性能较差电源层信号层接地层CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层4层板(2)敏感信号层（易产生干扰或易被干扰）昀好与地层相邻，而不是与电源层相邻5CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层6层板抗EMI昀佳信号层同时被地层或电源层屏蔽，但只有2个信号层，且不易修整抗EMI昀差有4个信号层，信号线接地及电源线的阻抗较小，但电源解耦效果差，内层信号之间易串扰抗EMI较好有4个信号层，上下信号线屏蔽效果差，接电源及地阻抗较高，信号线间易串扰电源层信号层接地层抗EMI亦佳有3个信号层，信号层屏蔽效果好CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层8层板抗EMI昀差低频采用6个信号层抗EMI昀好高频采用4个信号层电源层信号层接地层抗EMI较好中频采用5个信号层6CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层10层板电源层信号层接地层有7个信号层，抗EMI效果较佳，但并非昀佳CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层层间距的考虑四层板六层板„电源层与地层的间距应尽量小„相邻信号层间的间距应尽量大7CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层实测效果双层基板的EMI特性四层基板（中间二层为电源层和接地层）的EMI特性通常4层板比双面板噪声低20dB，6层板比4层板噪声低10dBCopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层接地面的作用CircuitComponentOVTrackSignalTrackInsulationMaterialDoublesidedBoardCircuitComponentInsulationMaterialCopperGroundPlaneBoard:20-30dBbetterSignalTrackCopperGroundPlane(OV)8CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.2PCB分层实例初期双面板电源线/地线和信号线各在一面改进双面板电源线/地线和信号线同面交替四层板使用专门的电源层和接地层STD工控机总线母板CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局分区的宗旨„减少不同电路模块之间的干扰（电磁耦合）„减少对外部的干扰以及来自外部的干扰（静电、浪涌、噪声等）„减少不同电路之间的互连线„有利于散热，有利于减少应力„提高可制造性、可测性和可维修性9CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局按工作频率:方案1高频电路可使用昀短的引线，寄生电感较小，但不同的频率区使用各自独立的电源线，使得电源线较长CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7采用星形供电网络，VCC/GND线较短，可避免产生引线环路，但高频区信号线可能较长7.3PCB布局按工作频率:方案210CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7ConnectorConnectorConnectorConnectorCableCableCableCableHigh-speedcomponentsMedium-speedcomponentsSlow-speedcomponents有利于抑制高速电路或芯片对外的空间辐射，但高频引线较长，会对本板的中、低频区形成干扰7.3PCB布局按工作频率:方案3CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局数字与模拟电路分区注意避免电源层(VCC/GND)同时覆盖模拟电路区和数字电路区11CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7快、慢数字电路分区布局，且Vcc/GND各自独立7.3PCB布局高速与慢速电路分区CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局不同的区采用不同的连接器不同的电路模块采用不同的连接器和供电端口，有利于防止相互干扰12CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7模拟电路区:怕干扰数字电路区:既怕干扰，又产生干扰电源电路区:产生较大干扰接口电路区:产生较小干扰滤波与屏蔽区:抑制干扰7.3PCB布局复杂电路的分区CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局分区错例„电源电路的交流干扰直接影响小信号放大级（放大电路的第一级和第二级）„振荡电路的输出可能经由放大电路的第一、二、三级而叠加到输出级„放大电路的输入和输出信号相互影响，相互干扰13CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7„不同的电路区可使用不同的接地区„不同的接地区与电源之间昀好使用不同的LC滤波器„不要在地平面层上，分割出电源平面来，更不能出现地平面上的电源孤岛„对外的连接器附近的地可与地层做适当分割，并将连接器的地就近接到机箱地，以减少空间辐射的影响7.3PCB布局接地面的分割CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7电源层比地层内缩20H（H为电源层与地层之间的距离），可有效抑制边缘辐射（约可降低70％左右）电源/地平面边缘附近的射频电流很强，易对周边形成辐射干扰7.3PCB布局20H原则14CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局在地平面开槽的影响„问题„信号回流线过长，易对其它信号产生干扰，且使本信号畸变„增加了接地阻抗„对策„尽量不开槽，在槽上不走或不跨信号线„信号线不要跨越地平面或电源平面之间的间隙CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.3PCB布局在地平面开过孔的影响与开槽的影响类似15CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7接地面上尽量少开过孔，空隙也要尽可能地少7.3PCB布局过孔导致的信号环路CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7„不要出现悬浮的导电岛，若为散热与屏蔽，应接地„大面积铜箔镂空成栅条状，可以提高附着力（否则铜箔受热可能膨胀脱落），但需均匀分布7.3PCB布局导电岛(Island)16CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7„远离易出现高温或者高耗能的器件（大电阻、散热器等）„远离易出现高压、高频和浪涌干扰的设备（电动机、变压器等）„远离易积累灰尘、异物的区域„远离易形成静电的地方（如操作人员可直接触摸到的地方，金属物体等）„发热量大的器件尽可能靠近容易散热的表面„尽量减少连线、接触点的数目（尽量不采用IC座，尽量采用SMT）7.3PCB布局微电子器件在整机中的位置CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7„易碎元器件布局时尽量靠近传送边或受应力较小区域，其轴向尽量与进板方向平行7.3PCB布局规则(1)„大而重的元器件应安放在PCB固定支架附近，以提高PCB的固有频率及增加防振能力„对称（差分，桥式）电路的元器件尽量对称排列，使分布参数对称17CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7„经常插拔器件或板边连接器周围3mm范围内尽量不布置SMD，以防止连接器插拔时产生的应力损坏器件„任何钻孔需离板边1mm以上，以防破孔„SMD与DIP的元件至少需有1mm的距离„双面摆件时，背面SMD与DIP元件孔之间至少需有2mm的距离„元件距离板边至少要有5mm以上的距离7.3PCB布局规则(2)CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.4PCB布线走线寄生效应:对信号波形的影响„寄生电阻使信号产生延迟„寄生电感使信号峰值升高„寄生电容使信号峰值降低18CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.4PCB布线走线寄生效应:分布电容条宽CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.4PCB走线走线寄生效应:线阻抗对串扰的影响PCB走线的特性阻抗越大，串扰越强19CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.4PCB走线走线寄生效应:平行走线对串扰的影响PCB平行走线越长，线间距（d）越小，所接器件的速度越快（74AS74HC74LS），则串扰越大CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7厚度：太厚易形成线间干扰，太薄则易引起擦伤和刻蚀宽度：尽量大，取决于载流量、温升和电压降，一般PCB导线的工作温度85℃长度：尽量短，以减少走线电阻与电感，特别是时钟振荡电路、快速开关电路和大电流支路间距：尽量大，以减少串扰7.4PCB布线走线尺寸的考虑20CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.77.4PCB布线走线电感与尺寸的关系V50.02μH016.0mm13.0cm1mA50MHz100====tpntIfLVIfπ为所产生的浪涌电压幅度的导线时，、电感为、宽流过长的瞬态电流频率实例减少走线电感的方法„走线短而粗„采用整层接地面„采用多个接地孔„缩短PCB板的配线长度CopyrightbyYiqiZhuang2006V3.7糟糕的设计将电原理图照搬到PCB上，未考虑寄生电容、电感，将输入线、信