高速高密度多层PCB设计和布局布线技术

1、高速高密度多层PCB设计和布局布线技术 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点 叠层 叠层将影响到整个系统的性能、稳定性以及加工成本。必须同时满足加工要求、信号完整性、EMI的要求。叠层设计的几个原则

2、：对称原则；电源、地层相邻原则；地层数量大于等于电源层数量；走线层不相邻原则；第二层和倒数第二层为平面层原则。 叠层设计需要考虑的因素需要多少走线层需要多少电源层、地层怎么分配电源层、地层使用何种板材每一层的走线厚度，整体板厚是多少 叠层思考题思考题：请大家设计一个八层板，要求有两个地层和两个电源层，其他为信号层。然后我们来看一下不同叠层的优缺点。 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点 走线阻抗的设计常见的走线阻抗

3、：单端50ohm，差分100ohm越来越多的阻抗类型：27ohm，33ohm，75ohm，120ohm（diff） 同一设计中可能会同时存在多个单线阻抗和差分阻抗，这就要求使用不同的走线宽度。 单线阻抗50欧姆的设计常见的单线阻抗是50ohm，一般误差控制范围为±10 常见的单线结构有两种，如有图所示： 差分阻抗100欧姆的设计常见的差分阻抗是100ohm，一般误差控制范围为±10 常见的差分结构有两种，如有图所示，从性能上来说两种结构没有明显的差别，但从PCB加工阻抗控制角度来说Edge coupled diff pair更容易一些，这种在实际过程中也最普遍被采用；而Br

4、oadside coupled pair比较适合于走线较密集的地方，如芯片管脚出线等对于Edge coupled diff pair有紧耦合和松耦合的区别。 阻抗思考题思考题：差分阻抗是两个单线阻抗之和么？ 思考题2：实际设计中，如果我们要控制单线50ohm，差分100ohm的话，单线走线宽度和差分走线宽度会相等么？该如何控制？差分信号的紧耦合有什么好处？为什么还要使用松耦合？ 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点

5、 电源层的分配和分割电源层分配原则：和地层相邻原则，通流能力原则，重要电压优先原则电源层分割原则：考虑到不影响到重要信号的阻抗，回流；考虑到强干扰信号（时钟）的干扰问题 电源分配系统的设计在高速电路板设计中最重要的考虑就是电源的分配系统的设计。电源分配系统必须为低噪声的电路板上各部分的电路提供一个低噪声的电源，包括电源和地。需要注意的是，对于交流信号，电源就是地。电源分配系统还必须为电路板上的信号提供一个信号回路。 阻抗对于电源分配系统的影响 理想的电源的阻抗是0，这样可以保证电源端的电压和负载端的电压一致 但实际的电源，它具有一定的阻抗，分别以电阻、电感、电容的形式表示，因此噪声将叠加在电源

6、上。设计的目标就是尽可能减小电源分配网络的阻抗，同时尽量滤除噪声。减小电源分配网络的阻抗的方法：尽量使用电源平面，设计好叠层等 电路噪声的滤波 实际电容的等效网络的谐振频率是实际电容低于FR的频率呈现容性，而在高于FR的频率上则呈现感性，所以电容更像是一个带阻滤波器，而不是一个低通（阻高频）滤波器 电路噪声的滤波 电容的种类很多，对应于不同频率和应用场合，低ESL的电容通常是由非铁磁材料制造的，他的容量通常也比较小。更大的电容对于高频的滤波并没有更好的效果。 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB

7、设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点 Tea Break / QA 思考题 对于右边的叠层，蓝色代表地层，红色代表电源层，黄色代表信号层，哪个走线层最适合布时钟信号等高速信号？为什么？如果一组很高速的总线需要两个走线层，使用哪两个走线层最好？靠近电源层的走线层需要注 意什么？ 内容高速PCB设计技术高速PCB设计的流程叠层的设计走线阻抗的设计电源分配系统的设计走线层的考虑和划分高速PCB设计的布局原则高速PCB设计的布线原则测试的考虑仿真对于高速PCB设计的重要性常用的PCB设计软件及优缺点 高速PCB的布局规则布局的基本原则接口电路的布局原则时钟

8、电路的布局原则布局时工艺要求的考虑布局时功耗的考虑布局时EMC的考虑阻容器件的布局考虑 PCB布局的基本原则确定好满足规则的PCB外框尺寸图,包括确定器件摆放区域(package keepin,走线区域(route keepin,等等。 PCB布局的基本原则先放置与结构关系密切的元件,如连接器/开关/电源插座等。 遵照”先大后小,先难后易”按照信号流向”的布局原则,重要的单元电路/核心元器件应当优先布局,先摆放核心器件以及体积较大的器件,在以核心器件为中心摆放周围电路元器件.所以PCB设计人员必须要对单板功能框图以及重要信号流向有一个大概的了解. PCB布局的基本原则布局应该尽量满足以下要求:

9、总的连线尽可能短；关键信号尽量短；高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号和低频信号分开；高频器件的间隔尽量分开。相同结构的电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局，满足“大局对称，局部可以不对称”原则。整板按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准进行优化布局。器件布局格点的设置，一般IC器件，格点应该选择50200mil，小型表贴器件格点应不小于25mil。目的是布局整齐、美观、利于布线。保证通风散热 布局基本原则思考题：思考题1：布局时为什么“先大后小”？为什么要按照信号流向布局？ 思考题2：“高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开；模拟

10、信号与数字信号分开；高频信号和低频信号分开；高频器件的间隔尽量分开”，从布局角度如何做到？思考题3：为什么布局需要用格点放置器件？思考题4：如何保证通风散热？ 高速PCB的布局规则布局的基本原则接口电路的布局原则时钟电路的布局原则布局时工艺要求的考虑布局时功耗的考虑布局时EMC的考虑阻容器件的布局考虑 接口电路的布局原则接口信号的滤波、防护和隔离器件靠近接口连接器放置，先防护，后滤波； 接口变压器、光耦等隔离器件做到初次级完全隔离；变压器与连接器之间的信号网络无交叉。 接口电路的布局原则变压器对应的BOTTOM层区域尽可能没有其它器件放置；接口芯片(网口、E1/T1口、串口等尽量靠近变压器或者

11、连接器放置；网口、E1/T1口、串口的接收、发送端匹配电阻靠近对应的接口芯片放置。 接口电路布局原则思考题：思考题1：为什么要重视接口芯片的布局布线？ 高速PCB的布局规则布局的基本原则接口电路的布局原则时钟电路的布局原则布局时工艺要求的考虑布局时功耗的考虑布局时EMC的考虑阻容器件的布局考虑 时钟电路的布局原则时钟电路(晶振、时钟驱动电路等距离拉手条、对外接口电路尽量远一些；时钟驱动器靠近晶振放置；时钟输出的匹配电阻尽量靠近晶振或时钟驱动电路的输出脚；晶振、时钟驱动电路必须进行LC或者型滤波； 时钟驱动电路远离敏感电路。 时钟电路布局原则思考题：思考题1：我们为何格外重视晶振或者时钟驱动芯片

12、的电源滤波？思考题2：晶振和时钟驱动芯片为何需要远离敏感电路或者对外接口电路？ 思考题3：晶振和时钟驱动芯片之间的走线为何越短越好？ 高速PCB的布局规则 布局的基本原则接口电路的布局原则 时钟电路的布局原则 布局时工艺要求的考虑 布局时功耗的考虑 布局时EMC的考虑阻容器件的布局考虑 布局时工艺要求的考虑需要按照结构图画出板框、禁布区等PCB的板边框(outline通常用10mil的线绘制布线区距离板边缘应大于5mm 布局时工艺要求的考虑层叠要考虑加工工艺；要考虑电特性性能；要考虑到板子厚度要考虑成本思考题：请说一下六层板PCB的通常加工过程？ 布局时工艺要求的考虑机械定位孔和MARK点机械

13、定位孔一般放在PCB各个角的位置，根据板子的大小，可能需要适当增加机械孔的大小一般直径3mm，一般为非金属化孔；MARK点又名光学定位点，是为了满足SMC的自动化生产处理的需要，所以如果有表贴器件必须在PCB的表层和底层添加MARK点 MARK点需要距离板边缘和机械定位孔的距离大于7.5mm；必须阻焊开窗；至少三个，并成L放置思考题：如果底层没有表贴器件，底层还需要加MARK点么？ 布局时工艺要求的考虑间距问题器件与器件（表贴和插装）之间地间隔：0.5mm(通用规则器件管脚和走线之间地间距；走线和走线之间的间隔过孔和器件管脚的间隔过孔和走线之间的间隔BGA和BGA之间的间隔BGA封装的器件应避

14、免位于PCB正中间等易变型区 布局时工艺要求的考虑通用原则元器件放置方向应考虑布线、装配、焊接和维修的要求，同时尽量统一，有正负极型号的元件也要统一方向；对于波峰焊工艺，由于波峰焊的阴影效应，因此元件方向与焊接方向成90度,同时波峰焊面的元件高度限制为4mm(实际高度限制参照生产厂家。 较大较密的IC如QFP/BGA等封装的器件放在板子的顶层，插装器件也只能放在顶层。 高速PCB的布局规则 布局的基本原则 接口电路的布局原则 时钟电路的布局原则 布局时工艺要求的考虑 布局时功耗的考虑 布局时EMC的考虑 阻容器件的布局考虑 布局时功耗的考虑功耗原则布局时器件的放置需要考虑散热，如下图所示：大功

15、耗的的器件如MOSFET或者BGA等可以通过覆铜来散热，甚至加散热器进行散热。发热器件不能紧邻导线和热敏器件，高热器件要均衡分布 功耗思考题：思考题1：对于PCB单板来说，解决功耗的措施有那些？请说出三个。思考题2：对于高功耗的芯片比如某高功耗的BGA，如何散热比较好？除了上面说得措施外，还有其他措施么？ 高速PCB的布局规则布局的基本原则接口电路的布局原则时钟电路的布局原则布局时工艺要求的考虑布局时功耗的考虑布局时EMC的考虑阻容器件的布局考虑 布局时EMC的考虑减小带宽原则无论是抗干扰还是减小辐射的角度来看，应使电路的带宽尽量的窄； 通常采用的方法有：电源输入端滤波；IC芯片滤波思考题：为何采用的方法都是针对电源的？ 高速PCB的布局规则 布局的基本原则 接口电路的布局原则 时钟电路的布局原则 布局时工艺要求的考虑 布局时功耗的考虑 布局时EMC的考虑 阻容器件的布局考虑 匹配电阻的放置原则源端的串联端接尽量靠近源端放置，和源端pin之间的走线越短越好。并行端接尽量靠近接收端pin脚。 滤波电容的放置原则滤波电容的放置原则是距离电源管脚越近越好 滤波电容思考题：思考题1：同一个电源的同一种滤波电容是集中放置好还是分