应用可靠性8_PCB设计r

1第8章印制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2CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0本章概要8.1PCB设计挑战8.2基材的选择8.3层的分配8.4分区及隔离8.5走线设计8.6串扰抑制8.7接地设计8.8布线方法8.9过孔考虑8.10防过热8.11装配与测试3CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.1PCB设计挑战PCB设计面临挑战PCB发展趋势PCB上芯片的管脚数↑及管脚的空间密度↑→PCB走线密度及布线层数↑→PCB线间距↓→串扰↑PCB上元器件的工作频率↑或工作速度↑→高频电磁干扰↑不同类型元器件集成于同一PCB板上→不同类型电路之间的干扰↑PCB走线截面积↓而长度↑→PCB走线感抗↑→抗瞬变干扰能力↓移动设备以及低功耗要求PCB的面积↓供电电压↓→电路的抗干扰容限↓PCB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、电磁等干扰？如何克服引线寄生效应对电路频率特性和可靠性的影响？4CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CPU&EmbeddedPlatformCustom(ASIC)LogicGlueLogicPCBFPGABootModuleCommunicationModuleVoltageRegulators/GeneratorsDRAMMemoryModulesCommunicationModuleDSPCustom(ASIC)LogicGlueLogicClockGenerators8.1PCB设计挑战不同类型芯片融于一板25CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CCLKDONEM0M1M2PinBank3GIOClockPROG_BSingleEndedDoubleEnded8.1PCB设计挑战不同类型管脚融在一芯6CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.1PCB设计挑战PCB的高速化趋势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100MHz7CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择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，应用昀为普遍，FR4序列为代表品种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8CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0两外层是玻璃布，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8.2基材选择PCB基材型号FR-4目前应用昀为普遍39CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0综合质量8.2基材选择如何评价基材质量？对于PCB板材而言，表面电阻越高越好，介电常数越低越好，电介质正切越小越好，电介质强度越高越好，温度系数越低越好，昀高温度越高越好10CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择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）11CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择如何提高基材的频率: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)12CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择如何提高基材的频率: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）413CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择如何提高基材的频率:介电常数↓同样厚度和面积下，介电常数越小，电容越小，绝缘性能越好，抗噪声干扰的能力越高，同时高频损耗也越低（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14CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择材质的选择考虑适合高速电路，成本较高适合普通电路，成本较低质量↑15CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择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16CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择外形尺寸的选择标准化：优先使用标准化的尺寸（如100x160mm、233x160mm等），便于多PCB板整机的组装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，提升连接的可靠性，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（生产较大的板子要比制作同样面积的几个较小的板子便宜），但要求各个子板的层数相同517CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.2基材选择孔尺寸的确定元件安装孔元件安装孔的直径应略大于元件引线直径的0.15~0.3mm（自动插装机应留有更大的余量）尽可能减少一块PCB板上元件安装孔不同尺寸的数目，有利于降低制版成本。通常芯片和多数小型元件的孔径取0.8mm，大元件取1.0mm过孔昀小的可用直径由基板厚度决定（以免影响金属化电镀质量），通常板厚孔径比取5～8过孔的直径昀好与昀小的元件安装孔的直径相当，以简化钻孔过程。也可让过孔小于元件安装孔，可降低将元件引线错误地插入到过孔中的概率过孔焊盘非金属化过孔板：焊盘直径应至少超出孔径1mm，如0.8mm孔径的焊盘直径约为2mm，也可使用椭圆型焊盘金属化过孔板：因金属化过孔增强了焊盘到电路板的结合强度，因此可使用较小的焊盘，如0.8mm孔径的焊盘直径约为1.3～1.5mm焊盘直径与孔径之比：环氧玻璃板约为2；苯酚纸基板约为2.5~3表贴焊盘：由贴装技术（如波峰焊还是回流焊）决定，设计者需要做的是检查元件库中尺寸的正确性18CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.3层的分配为什么要用多层PCB板？多层PCB的利与弊提高布线密度，减少复杂布线占用的面积，与高密度的芯片管脚密度相适应改善电磁兼容性，提升速度，可采用整层的接地面和电源面，可缩短单根布线的长度层数越多，PCB的制造成本越高为什么要用整层的接地面和电源面？实现多点就近接地、接电源，减少地线和电源线阻抗（特别是电感），有利于抑制公共阻抗干扰和瞬态电流产生的浪涌电压为控制地线传输线阻抗提供设计自由度，有利于抑制高频信号反射作为屏蔽面和高频旁路通道，有利于抑制空间辐射和串扰接地面和电源面之间自然形成整板面积的耦合电容，有助于高频去耦5/5规则：当时钟频率5MHz，或信号上升沿5ns时，必须使用多层版接地面和电源面作为电路电压的基准面和电路电流的返回通道面，统称“参考面”19CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.3层的分配电源分配方式单层板使用的总线方式（PowerBuses）：布线密度低，布线电阻大，干扰容易传播多层板使用的平面方式（PowerPlanes）：布线密度低，布线电阻小，有利于电磁兼容性器件电源线电阻对电源电压的影响：即使电源线电阻低至0.125Ω，若有20个器件，每个器件电流200mA，则电源电流4A，形成压降0.5V，也会使电源电压从5V→4.5V20CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.3层的分配多层板层数的确定确定层数的依据平均管脚密度工作频率要求电磁兼容与可靠性要求制造成本或者交货期等根据平均管脚密度（可由PCB设计工具统计出）确定层数的经验值：14100.21280.2-0.3860.3-0.4640.4-0.6420.6-1.0221.0以上板层数信号层数Pin密度Pin密度＝板面积（平方英寸）/（板上管脚总数/14）621CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.0CopyrightbyYiqiZhuang2012V6.08.3层的分配电源层与地层的位置电源层和地层分别放置在两个表面层：可为内部布线提供电