高速信号pcb

挑选高频高速PCB材料重要指标：
在选择用于高频电路的PCB所用的基板时，要特别考察材料DK，在不同频率下的变化特性。而对于侧重信号高速传输方面的要求，或特性阻抗控制要求，则考察DF及其在频率、温湿度等条件下的性能。



一般型基板材料在频率变化的条件下，表现出DK、DF值变化较大的规律。特别是在l MHz到l GHz的频率内，它们的DK、DF值的变化更加明显。例如，一般型环氧树脂一玻纤布基的基板材料（一般型FR-4）在lMHz的频率下的DK值为4．7，而在lGHz的频率下的DK值变化为4.19。超过lGHz以上，它的DK值的变化趋势于平缓。其变化趋势是随着频率的增高，而变小（但变化幅度不大），例如在l0GHz下，一般FR一4的DK值为4．15，具有高速、高频特性的基板材料在频率变化的情况下，DK值变化较小，自lMHz到lGHz的变化频率下，DK多保持在0.02范围的变化。其DK值在由低到高不同频率条件下，略微有下降的趋向。



一般型基板材料的介质损失因子（DF），在受到频率变化（特别是在高频范围内的变化）的影响而产生DF值的变化要比DK大。其变化规律是趋于增大，因此，在评价一种基板材料的高频特性时，要对其考察的是它的DF值变化情况。具有高速高频特性的基板材料，在高频下变化特性方面，一般型基板材料存在着两类明显的不同的两类：一类是随着频率的变化，它的（DF）值变化甚小。还有一类是在变化幅度上与一般型基板材料尽管相近，但它本身的（DF）值较低。

PCB的信号完整性与设计

在PCB的设计中,PCB设计人员需要把元器件的布局、布线及每种情况下应采用的何种SI问题解决方法综合起来,才能更好地解决PCB板的信号完整性问题.在某些情况下IC的选择能决定SI问题的数量和严重性.开关时间或边沿速率是指IC状态转换的速率,IC边沿速率越快,出现SI问题的可能性越高,正确地端接器件就很重要.PCB设计中减少信号完整性问题常用的方法是在传输线上增加端接元器件.在端接过程中,要权衡元器件数量、信号开关速度和电路功耗三方面的要求.例如增加端接元器件意味着PCB设计人员可用于布线的空间更少,而且在布局处理的后期增加端接元器件会更加困难,因为为新的元件和布线留出相应的空间.因此在PCB布局初期就应当搞清楚是否需要放置端接元器件.

1.信号完整性设计的一般准则:



PCB的层数如何定义?

包括采用多少层?各个层的内容如何安排合理?如应该有几层信号层、电源层和地层,信号层与地层如何交替排列等.



如何设计多种类的电源分块系统?

如3.3V、2.5V、3V、1.8V、5V、12V等等.电源层的合理分割和共地问题是PCB是否稳定的一个十分重要的因素.

如何配置退耦电容?

利用退耦电容来消除噪声是常用的手段,但如何确定其电容量?电容放置在什么位置?采用什么类型的电容等?



如何消除地弹噪声?



地弹噪声是如何影响和干扰有用信号的?

回路(Return Path)噪声如何消除?很多情况下,回路设计不合理是电路不工作的关键,而回路设计往往是工程师束手无策的工作。


如何合理设计电流的分配?

尤其是电/地层中电流的分配设计十分困难,而总电流在PCB板中的分配如果不均匀,会直接明显地影响PCB板的不稳定工作。

另外还有一些常见的如过冲、欠冲、振铃、传输线时延、阻抗匹配、串扰、毛刺等有关信号畸变的问题,但这些问题和上述问题是不可分割的,它们之间是因果关系.

ESD产生的机理

一个允电的导体接近另一个导时,两个导体之间会建立一个很强的电场,产生由电场引起的击穿。当两个导体之间的电压超过它们之间空气和绝缘介质的击穿电压时,就会产生ESD电弧。在0.7ns到10ns的时间里,ESD电弧电流会达到几十安培甚至超过100A。ESD电弧会产生一个频率范围在1MHz~500MHz的强磁场,并感性耦合到邻近的每一个布线环路,在距离ESD电弧10cm范围产生15A以上的电流,4KV以上的高压。ESD电弧将一直维持到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧为止。

抗ESD的PCB布局与布线设计

尽可能使用多层PCB板结构,在PCB板内层布置的电源和地平面。采用旁路和退耦电容。尽量将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层,对于顶层和底层表面都有元器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCB,可以考虑使用内层走线。

确保每一个功能电路和各功能电路之间的元器件布局尽可能紧凑,对易受ESD影响的电路或敏感元器件,应该放在靠近PCB板中心的区域,这样其它的电路可以为它们提供一定的屏蔽作用。在能被ESD直接击中的区域,每一个信号线附近都要布一条地线。

在ESD容易进入的设备I/0接口处以及人手经常需要触摸或操作的位置,比如复位键、通讯口、开/关机键、功能按键等。通常在接收端放置瞬态保护器、串联电阻或磁珠。

要确保信号线尽可能短,信号线的长度大于12inch(30cm)时,一定要平行布一条地线。

确保信号线和相应回路之间的环路面积尽可能小,对于长信号每隔几厘米或几英寸调换信号线和地线的位置来减小环路面积。

确保电源和地之间的环路面积尽可能小,在靠近集成电路芯片(IC)每一个电源管脚的地方放置一个高频电容。

在可能的情况下,要用地填充未使用的区域,每隔<2inch(5cm)距离将所有层的填充地连起来。

电源或地平面上开口长度超过8mm时,要用窄的导线将开口两侧连接起来。

复位线、中断信号线、或者边沿触发信号线不能布置在靠近PCB板边沿的地方。

在PCB板的整个外围四周布置环形地通路，尽可能使所有层的环形地宽度大于100mil。每隔500mil用过孔将所有层的环形地连接起来，信号线距离环形地>20mil(0.5mm)。

pcb多层板的优劣势是什么？

PCB多层板有什么优点，又有什么缺点呢？今天就为大家解释一下吧！

如果将PCB单面板和PCB多层板相比，先不讨论其内部质量如何，我们都可以通过表面看到差异。这些差异对于PCB在整个使用寿命内的耐久性和功能性非常重要。PCB多层板的主要优点：这种电路板具有抗氧化性。多样的结构、高密度、表面涂层技术，确保电路板的质量和安全，可以安全使用。以下是高可靠性多层板的重要特点，即PCB多层板的优缺点：

1.PCB多层板孔壁铜厚度为正常是25微米。

优点：增强的可靠性，包括改善的z轴扩展阻力。

缺点：但也存在着一定的风险：在实际使用的情况下，在吹出或脱气，组装过程中的电连接性（内层分离，孔壁破裂）或在负载条件下发生故障的可能性的问题。IPC Class2（大多数工厂的标准）要求PCB多层板镀铜少于20％。

2.无焊接修复或开路修复 。

优点：的电路确保可靠性和安全性，无需维护，无风险。

缺点：如果维修不当，PCB多层板是开放的。即使适当固定，在负载条件（振动等）下也可能存在故障的风险，这可能导致实际使用中的故障。

3.超出IPC规范的清洁度要求。

优点：提高PCB多层板清洁度可提高可靠性。

风险：接线板上的残留物，焊料的积聚会给防焊层带来风险，离子残留物会导致焊接表面被腐蚀和污染的风险，这可能导致可靠性问题（差焊接点/电气故障）并终增加实际故障发生的概率。

4.严格控制每个表面处理的使用寿命。

优点：焊接，可靠性和降低水分侵入的风险。

风险：是旧PCB多层板的表面处理可能导致金相变化，可能会有焊锡性问题，而水分侵入可能导致组装过程中的问题或分层的实际使用，内壁和壁壁的分离（开路）等。

无论是在制造组装流程还是在实际使用中，PCB多层板都要具有可靠的性能，当然这个跟PCB打板工厂的设备、工艺技术水平都有一定的关联。

PCB多层板和堆叠规则

1、每个PCB都需要良好的基础：组装说明

PCB的基础方面包括介电材料，铜和走线尺寸以及机械层或尺寸层。用作电介质的材料为PCB提供了两个基本功能。当我们构建能够处理高速信号的复杂PCB时，介电材料会隔离在PCB相邻层上发现的信号。PCB的稳定性取决于整个平面上电介质的一致阻抗以及在宽频率范围内的一致阻抗。

尽管看起来铜作为导体很明显，但还存在其他功能。铜的不同重量和厚度会影响电路实现正确电流量和定义损耗量的能力。就接地层和电源层而言，铜层的质量会影响接地层的阻抗和电源层的热导率。使差分信号对的厚度和长度相匹配可以巩固电路的稳定性和完整性，尤其是对于高频信号而言。

物理尺寸线、尺寸标记、数据表、切口信息、通孔信息、工具信息和组装说明不仅描述了机械层或尺寸层，而且还充当了PCB基础的度量。组装信息控制电子部件的安装和位置。由于“印制电路组装”过程将功能组件连接到PCB上的走线，因此组装过程要求设计团队专注于信号管理、热管理、焊盘放置、电气和机械组装规则之间的关系，以及组件的物理安装符合机械要求。

每个PCB设计都需要IPC-2581中的组装文档。其他文件包括物料清单、Gerber数据、CAD数据、示意图、制造图、注释、装配图、任何测试规格、任何质量规格以及所有法规要求。这些文档中包含的准确性和细节减少了设计过程中任何出现错误的机会。

2、遵循的规则：排除和布线层

在房屋中安装电线的电工遵守规则，以确保电线不会出现急剧弯曲或变得易受用于安装石膏板的钉子或螺钉影响。使电线穿过双头螺栓墙需要以一致的方式来确定布线路径的深度和高度。

保持层和布线层为PCB设计建立了相同的约束条件。保持层定义了设计软件的物理约束（例如组件放置或机械间隙）或电气约束（例如布线保持）。布线层建立组件之间的互连。根据PCB的应用和类型，可以在PCB的顶层和底层或内部层中放置布线层。

为接地平面和电源平面寻找空间

每个房屋都有一个主要的电气服务面板或负载中心，可以接收来自公用事业公司的进来的电力，并将电力分配给为灯、插座、电器和设备供电的电路。PCB的接地层和电源层通过将电路接地和将不同的板上电压分配给组件来提供相同的功能。与服务面板一样，电源和接地层可以包含多个铜段，这些铜段允许电路和子电路连接到不同的电位。

保护电路板，保护走线

的房屋油漆工会仔细记录天花板，墙壁和装饰的颜色和饰面。在PCB上，丝网印刷层使用文本来顶层和底层上组件的位置。通过丝网印刷获得信息可以使设计团队免于引用装配文件。

由房屋油漆工施加的底漆，油漆，污渍和清漆可添加引人入胜的颜色和纹理。此外，这些表面处理可以保护表面不致变质。同样，当某种类型的碎屑落在走线上时，PCB上的薄阻焊层可帮助PCB防止走线短路。

3、PCB叠层规则

随着PCB技术的改进和消费者对更快，更强大产品的需求的增加，PCB已从基本的两层板变为具有四，六层以及多达十至三十层的电介质和导体的板。为什么要增加层数？拥有更多的层可以提高电路板分配功率，减少串扰，消除电磁干扰并支持高速信号的能力。用于PCB的层数取决于应用、工作频率、引脚密度和信号层要求。
通过两层堆叠，顶层（即第1层）用作信号层。四层堆叠使用顶层和底层（或第1层和第4层）作为信号层，在此配置中，第2层和第3层用作平面。预浸料层将两个或多个双面板粘合在一起，并充当层之间的电介质。六层PCB增加了两层铜层，第二层和第五层作为平面。第1、3、4和6层承载信号。

继续前进到六层的结构，内层二三（当为双面板）和四五（当为双面板）为芯板层，芯板之间夹半固化片（PP）。由于半固化片材料尚未完全固化，因此材料比芯材柔软。PCB制造过程将热量和压力施加到整个堆叠体上，并使半固化片和纤芯熔化，以便各层可以粘结在一起。

多层板为堆叠增加了更多的铜层和电介质层。在八层PCB中，电介质的七个内部行将四个平面层和四个信号层粘合在一起。十到十二层板增加了电介质层的数量，保留了四个平面层，并增加了信号层的数量。