PCB板技術(shù)簡(jiǎn)介

當(dāng)前，日漸精細(xì)的半導(dǎo)體工藝使得晶體管尺寸越來(lái)越小，因而器件的信號(hào)跳變沿也就越來(lái)越快，從而導(dǎo)致高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域信號(hào)完整性問(wèn)題以及電磁兼容性方面的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。信號(hào)完整性問(wèn)題主要包括傳輸線效應(yīng)，如反射、時(shí)延、振鈴、信號(hào)的過(guò)沖與下沖以及信號(hào)之間的串?dāng)_等，其中信號(hào)串?dāng)_最為復(fù)雜，涉及因素多、計(jì)算復(fù)雜而難以控制。所以今天的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)迫切需要區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法的全新思路、流程、方法和技術(shù)。

EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析工具和方法學(xué)，這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計(jì)分析的方方面面:靜態(tài)時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、EMI/EMC設(shè)計(jì)、地彈反射分析、功率分析以及高速布線器。同時(shí)還包括信號(hào)完整性驗(yàn)證和Sig'n-Off，設(shè)計(jì)空間探測(cè)、互聯(lián)規(guī)劃、電氣規(guī)則約束的互聯(lián)綜合，以及專家系統(tǒng)等技術(shù)方法的提出也為高效率更好地解決信號(hào)完整性問(wèn)題提供了可能。信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)是最重要的高速PCB板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)分析與設(shè)計(jì)手段，在硬件電路設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的作用，這里將討論信號(hào)完整性問(wèn)題中的信號(hào)串?dāng)_。

信號(hào)之間由于電磁場(chǎng)的相互禍合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號(hào)稱為信號(hào)串?dāng)_。串?dāng)_超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。解決串?dāng)_問(wèn)題問(wèn)題可以從以下幾個(gè)方面考慮:

通常在器件選型的時(shí)候，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)盡量選擇慢速的器件，并且避免不同種類的信號(hào)混合使用，因?yàn)榭焖僮儞Q的信號(hào)對(duì)慢變換的信號(hào)有潛在的串?dāng)_危險(xiǎn)。

為高速信號(hào)提供包地是解決串?dāng)_問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。然而，包地會(huì)導(dǎo)致布線量增加，使原本有限的布線區(qū)域更加擁擠。另外，地線屏蔽要達(dá)到預(yù)期目的，地線上接地點(diǎn)間距很關(guān)鍵，一般小于信號(hào)變化沿長(zhǎng)度的兩倍。同時(shí)地線也會(huì)增大信號(hào)的分布電容，使傳輸線阻抗增大，信號(hào)沿變緩。

合理設(shè)置布線層和布線間距，減小并行信號(hào)長(zhǎng)度，縮短信號(hào)層與平面層的間距，增大信號(hào)線間距，減小并行信號(hào)線長(zhǎng)度(在關(guān)鍵長(zhǎng)度范圍內(nèi))，這些措施都可以有效減小串?dāng)_。

為不同速率的信號(hào)設(shè)置不同的布線層，并合理設(shè)置平面層，也是解決串?dāng)_的好方法。

如果傳輸線近端或遠(yuǎn)端終端阻抗與傳輸線阻抗匹配，也可以大大減小串?dāng)_的幅度。串?dāng)_分析的目的是為了在PCB實(shí)現(xiàn)中迅速地發(fā)現(xiàn)、定位和解決串?dāng)_問(wèn)題。一般的仿真工具與環(huán)境中仿真分析與PCB板布線環(huán)境互相獨(dú)立，布線結(jié)束后進(jìn)行串?dāng)_分析，得到串?dāng)_分析報(bào)告，推導(dǎo)出新的布線規(guī)則并且重新布線，再分析修正，這樣設(shè)計(jì)的反復(fù)比較多。通過(guò)仿真分析可以看到，實(shí)際的串?dāng)_結(jié)果都不相同，并且差距很大。因此，一個(gè)好的工具應(yīng)該不 僅能夠分析串?dāng)_，并且能夠應(yīng)用串?dāng)_規(guī)則進(jìn)行布線。另外，一般的布線工具僅限于物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)，對(duì)控制串?dāng)_的布線只能通過(guò)設(shè)定線寬和線間距，以及最大并行走線長(zhǎng)度等物理規(guī)則來(lái)約束。采用信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)工具集ICX可以支持真正意義上的電氣規(guī)則 驅(qū)動(dòng)布線，其仿真分析和布線在一個(gè)環(huán)境下完成，在仿真時(shí)可以設(shè)定電氣規(guī)則和物理規(guī)則，在布線的同時(shí)自動(dòng)計(jì)算過(guò)沖、串?dāng)_等信號(hào)完整性要素，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)修正布線。這樣的布線速度快，而且真正符合實(shí)際的電氣性能要求。

高速PCB設(shè)計(jì)規(guī)則通常分兩種:物理規(guī)則和電氣規(guī)則。所謂物理規(guī)則是指設(shè)計(jì)工程師指定基于物理尺寸的某些設(shè)計(jì)規(guī)則，比如線寬為4Mi1，線與線之間的間距為4Mi1，平行走線長(zhǎng)度為4Mi1等。而電氣規(guī)則是指有關(guān)電特性或者電性能方面的設(shè)計(jì)規(guī)則，如布線延時(shí)控制在Ins到2ns之間，某一個(gè)PCB線上的串?dāng)_總量小于70mV等等.

定義清楚了物理規(guī)則和電氣規(guī)則就可以進(jìn)一步探討高速布線器。目前市場(chǎng)上基于物理規(guī)則(物理規(guī)則驅(qū)動(dòng))的高速布線器有AutoActive RE布線器、CCT布線器、B1azeRouter布線器和Router Editor布線器，實(shí)際上這些布線器都是物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)布線器，也就是說(shuō)這些布線器只能夠自動(dòng)滿足設(shè)計(jì)工程師指定的物理尺寸方面的要求，而并不能夠直接受高速電氣的物理尺寸方面的要求，而并不能夠直接受高速電氣 規(guī)則所驅(qū)動(dòng)。

電氣規(guī)則直接驅(qū)動(dòng)的高速布線器對(duì)于確保高速設(shè)計(jì)信號(hào)完整性來(lái)說(shuō)非常重要，設(shè)計(jì)工程師總是最先得到電氣規(guī)則而且設(shè)計(jì)規(guī)范也是電氣規(guī)則，換句話說(shuō)我們的設(shè)計(jì)最終必須滿足的是電氣規(guī)則而不是物理規(guī)則，最終的物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)的電氣規(guī)則要求才是最本質(zhì)的。物理規(guī)則僅僅是元器件廠商或者是設(shè)計(jì)工程師自己對(duì)電氣規(guī)則作的一種轉(zhuǎn)換，我們總是期望這種 轉(zhuǎn)換是對(duì)等的，是一一對(duì)應(yīng)的。而實(shí)際情況并非如 此。

以采用LVDS芯片來(lái)完成高速率(高達(dá)777.76Mbps)、長(zhǎng)距離(長(zhǎng)達(dá)loom)的數(shù)據(jù)傳輸為例，由于LVDS技術(shù)的信號(hào)擺幅是3500，那么通常的設(shè)計(jì)規(guī)范總是要求信號(hào)線上總的串?dāng)_值應(yīng)該小于等于信號(hào)擺幅的20%，也就是串?dāng)_的總量最大350mV X20%=700，這就是電氣規(guī)則，其中20%的百分比取決于LVDS的噪聲容限，可以從參考手冊(cè)上獲得。

對(duì)于IS_Synthesizer來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)工程師只要指定該LVDS信號(hào)線上的串?dāng)_值大小，布線時(shí)就能夠自動(dòng)調(diào)整和細(xì)化來(lái)確保滿足電性能方面的要求，在布線過(guò)程中會(huì)自動(dòng)考慮周圍所有信號(hào)線對(duì)該LVDS信號(hào)的影響。而對(duì)基于物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)的布線器來(lái)說(shuō)，首先需要進(jìn)行一些假想的分析和考慮，設(shè)計(jì)工程師總是認(rèn)為信號(hào)之間的串?dāng)_僅僅取決于平行信號(hào)之間并行走線的長(zhǎng)度，所以可以在高速電路設(shè)計(jì)的前端環(huán)境中做一些假想的分析，比如可以假定并行走線的長(zhǎng)度是2.5mil，然后分析它們之間的串?dāng)_，這個(gè)值可能并不是70mV，但是可以根據(jù)得到的結(jié)論來(lái)進(jìn)一步調(diào)整并行走線的長(zhǎng)度，假如恰好當(dāng)并行走線的長(zhǎng)度是某一個(gè)確定的值如7mi1時(shí)信號(hào)之間的串?dāng)_值基本上就是70mV,那么設(shè)計(jì)工程師就認(rèn)為只要保證差分線對(duì)并行走線的長(zhǎng)度控制在7mi1范圍以內(nèi)就能夠滿足這樣的電氣特性要求(信號(hào)串?dāng)_值控制在70mV以內(nèi))，于是在實(shí)際的物理PCB布局布線時(shí)設(shè)計(jì)工程師就得到了這樣一個(gè)高速PCB設(shè)計(jì)的物理規(guī)則，常規(guī)的高速布線器都可以確保滿足這種物理尺寸方面的要求。

這里會(huì)存在兩個(gè)問(wèn)題:首先，規(guī)則的轉(zhuǎn)換并不等同，首先信號(hào)之間的串?dāng)_并非唯一由并行信號(hào)之間走線的長(zhǎng)度來(lái)決定，還取決于信號(hào)的流向、并行線段所處的位置，以及有無(wú)匹配等多種因素，而這些因素可能很難預(yù)料，甚至不可能在實(shí)際的物理實(shí)現(xiàn)之前充分地進(jìn)行考慮。所以經(jīng)過(guò)這樣的轉(zhuǎn)換之后，并不能夠確保在滿足這些物理規(guī)則的情況下，同時(shí)能夠滿足原始的電氣規(guī)則。這也是為什么上述的這些高速布線器在滿足規(guī)則的情況下，PCB系統(tǒng)仍然不能正常工作的很重要的一個(gè)原因。其次，在這些規(guī)則轉(zhuǎn)換時(shí)幾乎不可能同時(shí)考慮多方面的影響，如在考慮信號(hào)串?dāng)_時(shí)很難同時(shí)考慮到周圍所有相關(guān)信號(hào)線的影響。這兩方面的情況就決定了基于物理規(guī)則的高速布線器在高速、高復(fù)雜度的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將存在很大的問(wèn)題，而真正基于電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)的高速PCB布線器就較好地解決了這方面的問(wèn)題。

數(shù)字系統(tǒng)對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格，為了滿足信號(hào)時(shí)序的要求，對(duì)PCB上的信號(hào)走線長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整已經(jīng)成為PCB設(shè)計(jì)工作的一部分。調(diào)整走線長(zhǎng)度包括兩個(gè)方面:相對(duì)的和絕對(duì)的。

所謂相對(duì)的就是要求走線長(zhǎng)度保持一致，保證信號(hào)同步到達(dá)若干個(gè)接收器。有時(shí)候在PCB上的一組信號(hào)線之間存在著相關(guān)性，比如總線，就需要對(duì)其長(zhǎng)度進(jìn)行校正，因?yàn)樾枰盘?hào)在接收端同步。其調(diào)整方法就是找出其中最長(zhǎng)的那根走線，然后將其他走線調(diào)整到等長(zhǎng)。

而絕對(duì)的要求是控制兩個(gè)器件之間的走線延遲為某一個(gè)值，比如器件A、B之間的延遲為Ins，而這樣的要求往往由高速電路設(shè)計(jì)者提出，而由PCB工程師去實(shí)現(xiàn)。要滿足這個(gè)要求，就必須知道信號(hào)的傳播速度c但需要注意，信號(hào)傳播速度是和PCB的材料、走線的結(jié)構(gòu)、走線的寬度、過(guò)孔等因素相關(guān)的。知道了信號(hào)傳播速度，就知道了要求的走線延遲對(duì)應(yīng)的走線長(zhǎng)度。

高速PCB板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括信號(hào)串?dāng)_在內(nèi)的信號(hào)完整性問(wèn)題帶來(lái)設(shè)計(jì)觀念、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)手段的變革。確保在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，并且指導(dǎo)在新的設(shè)計(jì)中預(yù)防問(wèn)題的出現(xiàn)已經(jīng)成為今天高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。

雙面PCB板與單面PCB板的區(qū)別，在于單面板線路只在PCB板的一面，而雙面PCB的線路則可以在PCB板的兩個(gè)面中，中間用過(guò)孔將雙面的PCB板線路連接起來(lái)。

雙面PCB板的參數(shù)雙面PCB板制作與單面PCB板除了制作的流程不一樣外，還多一沉銅工藝，也就是將雙面線路導(dǎo)通的工藝。