《高速PCB設(shè)計(jì)》PPT課件.ppt

1、1,Signal Integrity 、EMC & High Speed PCB Design,Part2 PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ),課程內(nèi)容,第二部分 PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ) PCB設(shè)計(jì)概述 PCB 的歷史和類型 PCB的基礎(chǔ)知識(shí) PCB 的設(shè)計(jì)流程 印刷電路板設(shè)計(jì)的基本原則 PCB基本設(shè)計(jì)方法和原則要求 高質(zhì)量的PCB設(shè)計(jì) PCB傳輸線 線條拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 傳輸線效應(yīng)與阻抗 有損傳輸線、上升邊退化和材料特性 其它常用傳輸線,PCB發(fā)展簡(jiǎn)史,1903年，Albert Hanson提出線路的概念，應(yīng)用于電話交換系統(tǒng)-PCB的雛形 1936年，Paul Eisner博士真正發(fā)明了PCB制作技術(shù)-加成法 1947年，美國(guó)

2、航空局和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)起了印制電路首次技術(shù)討論會(huì) 五十年代初期, 實(shí)現(xiàn)了覆銅層壓板大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn) 銅箔蝕刻法,成為印制板制造技術(shù)的主流,一直發(fā)展至今. 六十年代,孔金屬化雙面印制和多層印制板實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn) 七十年代，多層PCB、高密度化；THT-SMT 八十年代表面安裝技術(shù)和九十年代多芯片組裝技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了印制板生產(chǎn)技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步，向高密度,細(xì)導(dǎo)線,多層,高可靠性、低成本和自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的方向發(fā)展.,PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),印刷電路板(Printed circuit board，PCB)也可稱為（ Printed Wiring Board，PWB） 主要功能是提供安裝在板上的各元器件的相互

3、電氣連接。 隨著電子設(shè)備越來越復(fù)雜，需要的元器件越來越多，PCB上的線路與元器件也越來越密集。 PCB的基板是由絕緣隔熱、不易彎曲的材質(zhì)所制成。表面有銅箔材料制成的細(xì)小線路。,PCB的類型,單面板（Single-Sided Boards） 最基本的PCB，零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。單面板在設(shè)計(jì)線路上有許多嚴(yán)格的限制（因?yàn)橹挥幸幻?，布線間不能交叉而必須繞獨(dú)自的路徑）。 雙面板（Double-Sided Boards） 電路板的兩面都有布線。使兩面布線連通的叫做導(dǎo)孔（via）。是電路間的橋梁。雙層PCB的正反面被稱為元件面（Component Side）與焊接面（Solder Si

4、de） 多層板（Multi-Layer Boards） 為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。印制板的層數(shù)取決于要求的功能、噪聲指標(biāo)、電源平面、信號(hào)分類、網(wǎng)線數(shù)量（線條數(shù)）等要求。,PCB的類型,板材與板厚 常用的覆銅箔層壓板板材：酚醛紙質(zhì)、環(huán)氧紙質(zhì)、環(huán)氧玻璃布、聚四氟乙烯玻璃布等。 超高頻印制線路最優(yōu)良的材料是覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。 在有阻燃要求的電子設(shè)備上，還要使用阻燃性覆銅箔層壓板。 印制線路板的厚度應(yīng)根據(jù)印制板的功能及所裝元件的重量、印制板插座規(guī)格、印制板的外形尺寸和所承受的機(jī)械負(fù)荷來決定。 多層印制板總厚度及各層間厚度的分配應(yīng)根據(jù)電氣和結(jié)構(gòu)性能的需要以及覆

5、箔板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來選取。 常見的印制線路板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。,PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),PCB上的綠色或棕色，是阻焊漆（solder mask），是絕緣的防護(hù)層 可以保護(hù)銅線，也可以防止零件被焊到不正確的地方。 阻焊層上印刷著一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen），上面會(huì)印上文字與符號(hào)以標(biāo)示出各零件在板子上的位置。 絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)面（legend）。,PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),多層PCB的工作層面 信號(hào)層(Signal Layer): 頂層、底層、中間層 內(nèi)部電源/接地層（Internal Power/Ground Plane Layer) 機(jī)械層(Mechanica

6、l Layer） 防護(hù)層(Mask Layer) 錫膏層（Paste）和阻焊層（Solder） 絲印層(Silkscreen Layer) 其它工作層面(Other Layer) 禁止布線層(Keep-out Layer) 鉆孔導(dǎo)引層(Drill Guide Layer) 鉆孔圖層(Drill Drawing Layer) 復(fù)合層(Multi-Layer),PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),PCB的元器件封裝 指實(shí)際的電子元器件或集成電路的外觀尺寸，如引腳的分布、間距、直徑等。是一個(gè)空間的概念，功能是使元器件引腳和PCB上的焊盤保持一致。 分為插入式和表貼式封裝，不同的元器件可以使用相同的封裝，同種的元器件

7、也可以使用不同的封裝。 插入式封裝技術(shù)（Through Hole Technology） 將零件安置在板子的一面，并將接腳焊在另一面上，這種技術(shù)稱為插入式（Through Hole Technology，THT）封裝。 表面粘貼式封裝技術(shù)（Surface Mounted Technology） SMT封的零件，接腳是焊在與零件同一面。這種技術(shù)不用為每個(gè)接腳的焊接，在PCB上鉆洞。甚至還能在兩面都焊上。,PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),PCB的銅膜導(dǎo)線 適當(dāng)采用帶狀線和微帶線結(jié)構(gòu)不但可以抑制PCB中的射頻，而且可以達(dá)到保證信號(hào)完整性的目的。 導(dǎo)線的寬度和間距是兩個(gè)重要指標(biāo)。 PCB的焊盤和過孔 非過孔焊盤和

8、孔焊盤 非過孔焊盤的孔徑尺寸稍大于元器件的引腳即可，焊盤尺寸應(yīng)該在保證焊接質(zhì)量和電器性能的基礎(chǔ)上盡可能地小 過孔焊盤的焊盤尺寸一般是孔徑尺寸的兩倍。 過孔孔徑和過孔外徑：內(nèi)徑/外徑=60%。 過孔孔徑要比實(shí)際元器件孔的孔徑小，過孔不易過多，過孔孔徑不易過大，其孔徑與載流量成正比。 埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術(shù),PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),PCB的疊層 在多層板PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為 信號(hào)層（Signal） 電源層（Power） 地線層（Ground） 如果PCB上的零件需要不同的電源供應(yīng)，通常這類PCB會(huì)有兩層以上的電源與地線層,

9、Layer Stackup,4 Layer,1.S 2.G 3.P 4.S,1.S : Best layer for flux cancellation 23S：ground/ Power Impedance plane. Poor flux cancellation,6 Layer,1.S 2.G 3.S 4.S 5.P 6.S,1.S : Only safe routing layer,1.S 2.S 3.G 4.P 5.S 6.S,2.S : Good flux cancellation,1.S 2.G 3.S 4.P 5.G 6.S,1S, 3S : Excellent routing

10、 layer 6.S : Good flux cancellation,S(2), G(1), P(1),S(4), G(1), P(1),S(4), G(1), P(1),S(3), G(2), P(1),Layer Stackup,8 Layer,10 Layer,1.S 2.S 3.G 4.S 5.S 6.P 7.S 8.S,2.S, 4S : Excellent routing Layer,1.S 2.G 3.S 4.G 5.P 6.S 7.G 8.S,1.S, 3S, 6S, 8S : Excellent routing Layer,1.S 2.G 3.S 4.S 5.G 6.P 7

11、.S 8.S 9.G 10.S,1.S, 3S, 4S, 8S, 10S : Excellent routing Layer 7S : Poor flux cancellation,S(4), G(3), P(1),S(6), G(1), P(1),S(6), G(3), P(1),PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體流程大致可分為如下幾個(gè)階段：系統(tǒng)規(guī)格 規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運(yùn)作情形等等。 系統(tǒng)功能區(qū)塊圖 制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。標(biāo)示方塊間的關(guān)系。 系統(tǒng)分割 將系統(tǒng)分割為數(shù)個(gè)PCB，可以縮小尺寸，同時(shí)系統(tǒng)具有升級(jí)與交換零件的能力。 系統(tǒng)功能方塊圖

12、提供分割的依據(jù)。,PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,決定封裝方法和各PCB的大小 選擇封裝技術(shù)和電路技術(shù) 決定板子大小。 注意考慮線路圖的品質(zhì)與速度。 繪電路原理圖 電路原理圖要表示出各零件間的相互連接細(xì)節(jié)。 大多采用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design）的方式。 初步設(shè)計(jì)的仿真 為了確保設(shè)計(jì)出來的電路圖可以正常運(yùn)作，必須先用計(jì)算機(jī)軟件仿真。 布局 將零件放置在PCB上。零件放置的方式，是根據(jù)它們之間如何相連來決定的。必須以最有效率的方式與路徑相連接。,PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,預(yù)布線 測(cè)試布線可能性與高速下的正確運(yùn)作情況 布線 導(dǎo)出PCB上線路 。在原理圖中的連接，將會(huì)實(shí)地作成布線

13、。這項(xiàng)步驟通常都是全自動(dòng)的，但一般來說還是需要手動(dòng)更改某些部份的導(dǎo)線。 后測(cè)試 為了確定線路在布線后能夠正常運(yùn)作，必須要通過最后檢測(cè)。這項(xiàng)檢測(cè)也可以檢查是否有不正確的連接，并且所有聯(lián)機(jī)都照著概圖走。 建立制作檔案 目前有許多設(shè)計(jì)PCB的CAD工具，制造廠商必須有符合標(biāo)準(zhǔn)的檔案，才能制造電路板。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格有好幾種，最常用的是Gerber files規(guī)格。,PCB板設(shè)計(jì)的一般流程,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)已確定的電路板尺寸和各項(xiàng)機(jī)械定位，在PCB環(huán)境下繪制PCB板面，并按有關(guān)定位要求放置接插件、按鍵/開關(guān)、螺絲孔、裝配孔等，并充分考慮和確定布線區(qū)域和非布線區(qū)域（如充分考慮螺絲孔外多大范圍為非布線區(qū)域） PCB

14、布局布線 PCB布局布線是整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它們直接影響著PCB板性能的好壞。,印刷電路板布局的基本原則,安裝指在具體的應(yīng)用場(chǎng)合下，為了將電路板順利安裝進(jìn)機(jī)箱、外殼、插槽，不致發(fā)生空間干涉、短路等事故，并使指定接插件處于機(jī)箱或外殼上的指定位置而提出的一系列基本要求。 受力電路板應(yīng)能承受安裝和工作中所受的各種外力和震動(dòng)。為此電路板應(yīng)具有合理的形狀，板上的各種孔（螺釘孔、異型孔）的位置要合理安排。一般孔與板邊距離至少要大于孔的直徑。同時(shí)還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度。板上直接“伸”出設(shè)備外殼的接插件尤其要合理固定，保證長(zhǎng)期使用的可靠性。,印刷電路板布局的基

15、本原則,受熱對(duì)于大功率的、發(fā)熱嚴(yán)重的器件，除保證散熱條件外，還要注意放置在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｓ绕湓诰艿哪M系統(tǒng)中，要格外注意這些器件產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)脆弱的前級(jí)放大電路的不利影響。一般功率非常大的部分應(yīng)單獨(dú)做成一個(gè)模塊，并與信號(hào)處理電路間采取一定的熱隔離措施。 信號(hào)信號(hào)的干擾是PCB設(shè)計(jì)中所要考慮的最重要的因素。包括：弱信號(hào)電路與強(qiáng)信號(hào)電路分開甚至隔離；交流部分與直流部分分開；高頻部分與低頻部分分開；注意信號(hào)線的走向；地線的布置；適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波等措施。 美觀不僅要考慮元件放置的整齊有序，更要考慮走線的優(yōu)美流暢。為了產(chǎn)品的形象，在性能要求不苛刻時(shí)要優(yōu)先考慮前者。但是，在高性能的場(chǎng)合，如果不得不采用雙面

16、板，而且電路板也封裝在里面，平時(shí)看不見，就應(yīng)該優(yōu)先強(qiáng)調(diào)走線的美觀。,PCB布局一般原則,將PCB按電氣性能合理分區(qū) 數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)、功率驅(qū)動(dòng)區(qū) 完成同一功能的電路盡量靠近放置，功能塊之間的連接最簡(jiǎn)潔 對(duì)于質(zhì)量大的元器件應(yīng)考慮安裝位置和安裝強(qiáng)度 發(fā)熱元件應(yīng)和溫度敏感元件分開放置，必要時(shí)還應(yīng)考慮熱對(duì)流措施 時(shí)鐘產(chǎn)生器應(yīng)盡量靠近要用到時(shí)鐘的器件 將主接地面安排在表層之下的第二層，并盡可能將RF線走在表層。 將RF路徑上的過孔尺寸減到最小 可以減少主接地面上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其它區(qū)域的機(jī)會(huì)。 恰當(dāng)有效地使用芯片電源去耦 許多集成了線性電路的RF芯片對(duì)電源噪聲非常敏感，通常

17、每個(gè)芯片都需要采用耦合電容來濾除電源噪聲,PCB布局一般原則,PCB的元器件布局原則 合理的布局是PCB設(shè)計(jì)成功的重要基石 布局分為：自動(dòng)布局和手動(dòng)布局 選擇合適的PCB尺寸大小。過大則連線長(zhǎng)，阻抗大，抗干擾能力下降；過小則布局擁擠，干擾發(fā)生機(jī)率增加，相鄰走線易干擾。 確定特殊元器件和重要元器件的位置 根據(jù)功能單元對(duì)全部元器件進(jìn)行布局 模擬電路、數(shù)字電路和電源電路的元器件布局的特點(diǎn)不同，產(chǎn)生干擾和抑制干擾的辦法也不同，應(yīng)將其分開布局；同樣，高頻電路和低頻電路也有同上的特點(diǎn)，布局時(shí)也要進(jìn)行分離。 相互有關(guān)的元器件應(yīng)盡量靠近些，各元器件之間的印象要盡量短。 時(shí)鐘、晶振和cpu的時(shí)鐘輸入端要相互靠近

18、些 已產(chǎn)生噪聲的元器件、大電流電路、小電流電路等要盡量遠(yuǎn)離邏輯電路,PCB布局一般原則,PCB的元器件布局原則 特殊元器件的布局規(guī)則 盡量縮短高頻元器件之間的連線，同時(shí)設(shè)法減少分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾。易受干擾的元器件之間不能離得太近，輸入輸出器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，避免放電時(shí)引起意外短路。帶高壓的器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。 重量超過15g的元器件應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。又大又重的器件不應(yīng)放在pcb上，應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，并考慮散熱問題。熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。 可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。如是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在pcb方便調(diào)節(jié)的地方；如是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。 考慮留出pcb定位孔和固定支架所占用的位置,PCB布局一般原則,PCB的元器件布局原則 按照功能單元進(jìn)行的布局規(guī)則 按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，應(yīng)該使相應(yīng)的布局便于信號(hào)的傳輸，同時(shí)應(yīng)使信號(hào)盡可能保持一致的方向。 布局應(yīng)以每個(gè)功能電路的核心芯片為中心，圍繞它進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在pcb上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接線。 高頻電路應(yīng)考慮元器件的分布參數(shù)，一般電路應(yīng)