第4章印刷電路板的可靠性設計1本章概要基本概念PCB布局PCB布線PCB熱設計其它等效于連線、電纜、接插件半導體器件天線傳輸線接收機/發射機4.1概念

PCB上的干擾源

GNDISignalRadiatedEmissionGNDWirePCBI/OCable1cmGNDPlaneorGrid共模輻射(單極型)差模輻射(環路型)PCB4.1基本概念

差模輻射與共模輻射

4.2基本概念

干擾與被干擾

產生干擾的器件被干擾的器件4.2PCB布局

按功能分塊

模擬電路區:怕干擾數字電路區:既怕干擾，又產生干擾電源電路區:產生較大干擾接口電路區:產生較小干擾濾波與屏蔽區:抑制干擾4.2PCB布局

按信號類型分塊

4.2PCB布局

按工作頻率分塊

ConnectorConnectorConnectorConnectorCableCableCableCableHigh-speedcomponentsMedium-speedcomponentsSlow-speedcomponents方案1：高速電路引線較短方案2：高速電路對外輻射較弱多層板>雙面板>單面板，可縮短引線，加強屏蔽（4層板比雙面板噪聲低20dB，6層板比4層板噪聲低10dB），但成本上升速度最快的關鍵信號層靠近接地面，對干擾不敏感的非關鍵信號層靠近電源面電源面與接地層相鄰，以產生一個整板面積的大的電源濾波電容。對介電常數4.7、厚度0.1mm、面積10cm見方的玻璃環氧樹脂板，電容約為4000pF4.2PCB布局

分層方法(1)

4.2PCB布局

分層方法(2)

四層板六層板4.2PCB布局

接地面的作用

CircuitComponentOVTrackSignalTrackInsulationMaterialDoublesidedBoardCircuitComponentInsulation

MaterialCopperGroundPlaneBoard:20-30dBbetterSignalTrackCopperGround

Plane(OV)不同的電路區使用不同的接地島，且電源線、地線分別引出，最好使用不同的LC濾波器4.2PCB布局

接地面的分割

4.2PCB布局

接地面的完整性

接地面上盡量少開通孔，空隙也要盡可能地少，以避免增加接地阻抗I/O驅動器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件，使信號盡早引出或引入石英晶體振蕩器外殼要接地，位置要盡量靠近時鐘驅動器時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。時鐘產生器（頻率最高處）盡量靠近用到該時鐘的器件（如CPU時鐘輸入端）元器件盡量按電路圖順序緊湊排列，以縮短引線多級放大器成直線排列，輸入級與輸出級盡量遠離對稱（差分，橋式）電路的元器件盡量對稱排列，使分布參數對稱電壓、電流差別大的器件盡量遠離，以避免產生干擾甚至打火大而重的元器件應安放在PCB固定支架附近，以提高PCB的固有頻率及增加防振能力高速線的串聯電阻盡量靠近線的驅動端，而非接收端4.2PCB布局

其它布局規則

單點接地、單點接電源線（避免電源環路和地線環路）電源濾波與電源去耦4.2PCB布局

設計實例

每個VLSI芯片的GND與VDD間應接去耦電容去耦電容的位置應盡量靠近芯片，而且芯片與去耦電容之間的線應盡量短而粗4.2PCB布局去耦電容(1)去耦電容應接在同一芯片的電源線與地線之間去耦電容最好與高速芯片處于同一PCB層中4.2PCB布局去耦電容(2)盡量縮短電容引線，以減少引線電感4.2PCB布局去耦電容(3)4.2PCB布局去耦電容(4)遠離易出現高溫或者高耗能的器件（大電阻、散熱器等）遠離易出現高壓、高頻和浪涌干擾的設備（電動機、變壓器等）遠離易積累灰塵、異物的區域遠離易形成靜電的地方（如操作人員可直接觸摸到的地方，金屬物體等）發熱量大的器件盡可能靠近容易散熱的表面盡量減少連線、接觸點的數目（盡量不采用IC座，盡量采用SMT）4.2PCB布局

微電子器件在整機中的位置

厚度：太厚易形成線間干擾，太薄則易引起擦傷和刻蝕寬度：盡量大，取決于載流量、溫升和電壓降，一般PCB導線的工作溫度<85℃長度：盡量短，以減少走線電阻與電感，特別是時鐘振蕩電路、快速開關電路和大電流支路間距：盡量大，以減少串擾4.3PCB布線

走線尺寸

4.3PCB布線

走線電感與尺寸的關系

實例減少走線電感的方法走線短而粗采用整層接地面采用多個接地孔縮短PCB板的配線長度每個過孔有1-4nH的寄生電感和0.3-0.8pF的寄生電容，所以越少越好高速信號通道上，過孔應盡可能的少，速度最高的時鐘線上最好無過孔對于高速的并行線（如地址和數據線），每根信號線的過孔數最好一樣4.3PCB布線

過孔(Via)接地面上通孔的布置應使回流通路盡可能地短4.3PCB布線

拐角(Turn)走線避免急劇的彎曲和尖角，以避免電場集中和高頻信號發射高速走線的尖銳拐角會導致線特征阻抗的突然變化，造成信號的不期望的反射圓弧角>45度角>90度角，拐角規則如下右任何信號線都不要形成環路，如不可避免，環路面積應盡量小，以防電磁發射4.3PCB布線

環路(Loop)4.3PCB布線

如何減少環路面積(1)4.3PCB布線

如何減少環路面積(2)電源線緊靠地線，使電源線與地線形成的環路面積最小4.3PCB布線

如何減少環路面積(3)并聯導線應合并4.3PCB布線

如何減少環路面積(4)較差較好多條電源及地線應連接成網絡狀不要出現懸浮的導電島，若為散熱與屏蔽，應接地大面積銅箔鏤空成柵條狀，可以提高附著力（否則銅箔受熱可能膨脹脫落），但需均勻分布4.3PCB布線

導電島(Island)

所有元件應盡量緊靠在一起，不要過于分散相互之間連線較多的元件要靠在一起（如I/O器件與I/O連接器之間）從線路板中心饋送電源或信號，而不要從邊緣（特別是正方形PCB板）引入4.3PCB布線

如何使導線盡量短

4.3PCB布線

高頻線加緩沖器電源線盡量靠近地線，以加強電源線與地線間的電容耦合電源線與地線要么并排平行地放在PCB的同一層上，要么放在相鄰的兩層電源線與地線之間接入旁路電容，旁路電容的間距不能大于8cm

電源線、地線要盡量的粗，大于正常線寬3倍以上必要時，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導將PCB的空余部分全部填以地線4.3PCB布線

電源線與地線

NoisyAnalogDigital4.3PCB布線

地線網絡

所有信號線與地線的間距不要超過13mm

對于特別敏感且較長的信號線，應每隔一定間隔與其地線對調公共地線布置在PCB板邊緣，與邊緣的間距不小于板厚地平面和地線必須連成網格狀.在任意一個方向上,垂直地線與水平地線至少每隔6cm連接一次(雙面板則擱一個過孔)PCB上的非絕緣機殼地線必須與其它走線相距至少2.2mm

機殼地線的長度不應超過其寬度的五倍使未絕緣的電路與操作人員可觸摸到的PCB區域或未接地的金屬物體相隔至少2cm以上避免上下相鄰兩層的走線方向相同，甚至有走線正好上下重迭在一起，因為這種串擾比同層相鄰走線的情形還大。4.3PCB布線

信號線與地線

信號線與地線實例1網狀地線：高頻數字電路梳狀地線：低頻模擬電路數模混合電路地線布局信號線與地線實例2載體性質不同的信號線（如輸入線與輸出線）不宜平行及相鄰，以減少串擾，如必須平行，最好加線間地線關鍵的信號線盡量短，盡量粗，并在兩邊加上保護地線盡量不要使用IC插座，把IC直接焊在印刷板上，因IC座有較大的分布電容時鐘電路通常是最主要的發射源。時鐘走線盡量短，最好無過孔時鐘區周圍環以地線，下面不要走線時鐘區垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小。時鐘線要遠離I/O線印刷板過大、或信號線頻率過高，使得線上的延遲時間大于等于信號上升時間時，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行弱信號引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來

信號線與時鐘區盡量縮短高頻電路的連線（特別是時鐘線）減少短截線（在高速通道上可能成為輻射天線）對于敏感元件和I/O端口使用保護環和填充地（保護環單點接地）4.3PCB布線

如何降低空間輻射(1)4.3PCB布線

如何降低空間輻射(2)盡可能選用信號斜率(slewrate)較慢的器件，以降低信號所產生的高頻成分高頻器件擺放的位置不要太靠近對外的連接器對高速信號要進行阻抗匹配，以減少高頻的反射與輻射在各器件的電源管腳放置足夠與適當的去耦合電容以緩和電源層和地層上的噪聲對外的連接器附近的地可與地層做適當分割，并將連接器的地就近接到機箱地電源層比地層內縮20H，H為電源層與地層之間的距離。電源平面不能重疊，應用公共地線隔離（防止系統噪聲與電源耦合）不同層的布線盡可能正交或大角度交叉，以防線間寄生耦合電源去耦元件應盡量靠近IC的電源線4.3PCB布線

設計技巧2高輸入阻抗放大器的輸入端應加隔離環，以防漏電引起的噪聲與漂移（注意隔離環接的節點不同）閑置不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出4.3PCB布線

放大器的輸入保護4.3PCB布線