加入星计划,您可以享受以下权益:

  • 创作内容快速变现
  • 行业影响力扩散
  • 作品版权保护
  • 300W+ 专业用户
  • 1.5W+ 优质创作者
  • 5000+ 长期合作伙伴
立即加入
  • 正文
  • 推荐器件
  • 相关推荐
  • 电子产业图谱
申请入驻 产业图谱

PCB设计与制作方案

2020/07/29
393
阅读需 8 分钟
加入交流群
扫码加入
获取工程师必备礼包
参与热点资讯讨论

1. PCB 组成

PCB 包含两个重要的组成部分:Core 和 PP(Prepreg,半固态片)。

Core 的两个表面都铺有铜箔,用作导电层,两个表层之间填充以固态材料,其由增强材料玻璃纤维浸以固态树脂组成。

PP 的表面没有铜箔,其由半固态树脂和玻璃纤维组成,相比 Core 要软一些,其构成所谓的浸润层,在 PCB 中主要起填充作用,用以粘合芯板 Core。工厂生产时,浸润层一般无法做到超出 3 个 PP(厚度大概在 20mil 左右)。正由于 PP 的半固态特性,制作完成的各 PCB 中的 PP 厚度也会有所偏差,因此,阻抗控制的一致性也可能存在偏差。

配合使用 Core 和 PP 以实现多层 PCB 的设计制作。

2. 铜箔

铜箔厚度经常以盎司(oz)为单位进行表示,oz 本是质量单位(黄金白银大家都懂得),铜箔的 1oz 表示将 1oz 质量(28.35g)的铜箔均匀地铺在 1 平方英尺面积上,其厚度是 1.37mil,约为 1.4mil=35um。

电路板常用的铜箔材料主要分为压延铜箔和电解铜箔,压延铜箔分子严密,表面更平滑(有利于高速信号的传播),耐折性和柔性较好,不易断,因此一般应用于有弯折要求的产品上。

3. PCB 板材

使用最多的 PCB 板材是 FR4,其以玻璃纤维布作为增强材料,以环氧树脂作为粘合剂。

另一种是家电等行业使用较多的复合基板 CEM1,其以木浆纤维纸或棉浆纤维纸作为芯材增强材料,以玻璃纤维布作为表层增强材料,两者都浸以阻燃环氧树脂。该板材主要使用于单面板场合。其机械强度要低于 FR4 板材,但是价格相对便宜一些,也具有阻燃特性。

PCB 材质主要参数是相对介电常数和材质损耗角,两者组合在一起可以表示复介电常数,相对介电常数越大,信号在介质中的传播速度越慢;材质损耗角越大,介质损耗越大。因此在高速信号 PCB 设计中,会尽量选择介电常数和材质损耗角小的材质,相应地,成本也会变高。

4. PCB 层叠结构和阻抗设计

常见的信号阻抗类型有单端 50 欧,差分 100 欧,单端射频 50 欧等等,阻抗参数可以通过软件 Si9000 进行计算得到,本文不详述,后续单独写一篇常见阻抗计算的文章进行说明。需要特别提及的一点是单端射频线的 50 欧阻抗控制,射频线一般走在表层,而且为了增强抗扰能力和减小损耗,相比普通信号,射频线需要更粗的线宽,一般至少在 15mil。在上篇文章中我们知道,控制特性阻抗不变的情况下,加大线宽的同时必须增加信号线到参考层的距离,所以表层的射频线需要隔层参考第三层,在表层射频走线下方的第二层做挖空处理

工作中使用较多的 PCB 层叠是 12 层、8 层和 6 层,也有遇到过 20 层以上的。一般情况下,在规模稍大的公司中,PCB Layout 和原理图设计是由不同的人完成的,但这不意味着硬件工程师就不需要懂 PCB 相关的知识了,恰恰相反,很多时候 Layout 工程师并不清楚板子上哪些信号最重要,哪些次之。因此,硬件工程师最好在原理图上注明信号在 Layout 时的注意点,并和 Layout 工程师积极沟通,指出其中的问题点以协助其更改。这就要求硬件工程师也必须更加清楚 PCB Layout 相关的知识点,才能提出有效的指导意见。

实际工作中,多层板的层数一般都会由 Layout 工程师确定好,厚度一般都是 1.6mm 或 2mm,没有特殊要求的话,板材也是 FR4 居多。PCB 的层叠设置有一些基本原则,对于提升信号完整性质量来说大有好处,我们可以按照这些原则检查 Layout 工程师给出的设计是否合理,并提出改进意见。

(1)电源平面与地平面尽可能靠近,最好是相邻,因为两个完整平面可以构成平面大电容,相当于增加了去耦电容,降低了电源对地阻抗,有利于电源完整性 PI(PDN)。在实际 PCB 设计中,很难将所有的电源平面和地平面相邻,但是一般可以在最中心的两个相邻叠层设置为电源平面和地平面,比如 8 层板的 4 层和 5 层,12 层板的 6 层和 7 层,这两层紧密相邻,具有良好的耦合效果。如果设计中有某个电源层的电源种类较多,电源层会被分割地较为零碎,可将该电源层设置为紧邻地层,以获得相对较好的电容耦合效果,如 6 层为 GND,7 层设置为电源种类较多的零碎电源层。8 层板和 12 层板常见比较好的层叠分配结构分别如图 1 和图 2 所示(Altium Designer 中的层叠管理,使用 allegro 的话能够根据层叠设置直观地给出阻抗),图中层叠的厚度尚未根据阻抗控制进行优化。

图 1 8 层板常用层叠分配

 

图 2 12 层板常用层叠分配

(2)所有信号层(尤其是关键信号)都尽可能与完整的平面(电源和地平面均可)相邻,以保证完整可靠的回流平面和阻抗连续。高速信号尤其注意避免跨分割的情况。信号回流时会自动选择与驱动路径阻抗最小的路径作为返回路径(形成传输线结构)。

(3)信号换层时,最好不改变参考层;次之是如果参考层改变了,最好不改变参考层的网络属性,而且在信号换层时,在信号过孔附近添加和参考层网络属性相同的过孔,前面 MIPI 文章中关于 PCB 过孔曾有提及到;如果信号换层,参考层的网络属性也发生了变化,最好能使两个参考层越近越好。这些措施都是为了保证返回路径的阻抗尽可能保持连续,层间阻抗尽可能低,从而减小信号压降和信号畸变。

(4)尽量避免两个信号层(包括两个电源层)之间相邻,以减小串扰。实在难以避免的情况,相邻信号层则应该正交走线,一层横向走线,一层纵向走线。

推荐器件

更多器件
器件型号 数量 器件厂商 器件描述 数据手册 ECAD模型 风险等级 参考价格 更多信息
FTSH-105-01-L-DV-K-A 1 Samtec Inc Board Connector, 10 Contact(s), 2 Row(s), Male, Straight, 0.05 inch Pitch, Surface Mount Terminal, Locking, ROHS COMPLIANT

ECAD模型

下载ECAD模型
$3.48 查看
39-28-1083 1 Molex Rectangular Power Connector, 8 Contact(s), Male, Solder Terminal, Plug, LEAD FREE

ECAD模型

下载ECAD模型
$0.82 查看
M20-9990246 1 Harwin Board Connector, 2 Contact(s), 1 Row(s), Male, Straight, 0.1 inch Pitch, Solder Terminal, Locking, Black Insulator, Receptacle, ROHS COMPLIANT

ECAD模型

下载ECAD模型
$0.13 查看

相关推荐

电子产业图谱

公众号“硬核电子”主笔,硬件工程师,从事过通讯行业、医疗器械、消费电子、物联网等产品的硬件开发相关工作,也会写一些简单的固件,有记录工作笔记和读书心得的习惯,力求原创,喜欢分享,从而获得共同的成长和进步。