PCB 技术简介

1. PCB技术简介

2. 议题 • 简介 • 历史沿革 • PCB的分类 • 各种PCB特点介绍 • PCB设计简介 • 高速PCB设计的挑战 • 发展趋势 PCB设计室

3. 简介 • PCB（printed circuit board），即印制电路板是在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路，印制元件或由两者组合而成的导电图形后制成的板。 • 它作为元器件的支撑，并且提供系统电路工作所需要的电气连接，是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。本讲义主要介绍手机PCB的应用特点。 PCB设计室

4. 历史沿革 • PCB诞生于上世纪四、五十年代,发展于上世纪八、九十年代。伴随半导体技术和计算机技术的进步，印刷电路板向着高密度,细导线,更多层数的方向发展，其设计技术也从最初的手工绘制发展到计算机辅助设计（CAD)和电子设计自动化（EDA). PCB设计室

5. 手机PCB的分类 • 按所用基材的机械特性。可以分为刚性电路板(Rigid PCB） 、柔性电路板（Flex PCB）以及刚性柔性结合的电路板(Flex－Rigid PCB) • 按导体图形的层数可分为单面/双面和多层印制板。手机中的电路板多为高密度互连多层电路板（high density integrated board)。 PCB设计室

6. 刚性PCB介绍 • 刚性PCB的通常使用纸质基材或玻璃布基材覆铜板制成，装配和使用过程不可弯曲。手机中使用的刚性板多为多层板。 • 手机中用到的刚性多层板又可分为普通多层板，带有激光孔的多层板和特殊结构多层板如（ALIVH等） • 刚性板的特点是可靠性高，成本较低，但应用的灵活性差 PCB设计室

7. 普通多层板结构图 普通多层板一般指只带有机械孔的多层板 PCB设计室

8. 普通多层板介绍 • 机械钻孔可以贯穿所有线路层（通孔）或只贯穿部分线路层（盲，埋孔） • 线宽线距最小0.1mm。机械钻孔一般孔径大于0.2mm • 优点：成本低，加工周期短 • 缺点：钻孔较大，布线密度比较低 • 适用于比较简单的电路，目前应用787方案二lcd板、WCDMA项目 lcd板等 PCB设计室

9. RCC layer layer 2-3, 4-5 带有激光孔的多层板示例一 PCB设计室

10. RCC layer Core 结构示例二 PCB设计室

11. RCC layer Core 结构示例三 PCB设计室

12. 结构示例四 PCB设计室

13. 激光孔的多层板小结 • 激光钻孔精度高，电镀后性能可靠 • 钻孔直径可小于0.1mm，节省pcb的表面安装面积，走线密度较高 • 目前能够加工的厂家比较多。 • 根据电路的复杂程度可以选择不同的叠层结构，易于控制成本 • 目前机型：C2198、C389、C399、CP389、C668、C797lcd板、CM-3、CM-4等 PCB设计室

14. Alivh结构 • Any Layer Interstitial Via Hole 全层填隙式通路孔结构 PCB设计室

15. Alivh特性（优点） • 孔径0.2mm或更小，但是使用铜粉塞孔后可大量节省表面积 • 导通孔上焊盘，部品安装盘可以与导通孔共用 • 任意过孔、任意走线，设计自由灵活，开发周期短 • 走线密度大，有利于设备的小型化，目前应用机型C3698系列、C777系列、SP－1、WCDMA PCB设计室

16. Alivh特性（缺点） • 海外采购、成本较高 • 专利技术掌握在少数厂家手里，供应商比较少 • 目前能够生产的只有日本的几家大公司，如松下、CMK、日立等 PCB设计室

17. 柔性板简介 • 柔性板（fpc）是使用可挠性基材制成的电路板，成品可以立体组装甚至动态应用 • 柔性板加工工序复杂，周期较长 • 柔性板的优势在于应用的灵活，但是其布线密度仍然无法和刚性板相比 • 柔性板的主要成本取决于其材料成本 • 目前应用的机型有C2198、C777、C797等 PCB设计室

18. 柔性板的材料（一） • 由铜箔+胶+基材组合而成也有无胶基材即仅铜箔+基材，其价格较高，在目前应用较少 PCB设计室

19. 柔性板的材料（二） • Copper foil铜箔分为压延铜和电解铜两种，压延铜在弯折特性方面有较好的特性，厚度一般在0.5到2OZ。（1Oz＝35微米） • Base film（基材）Coverlay（覆盖模）的材料一般为PI，是一种耐热的树脂材料 • 其他材料还有胶、油墨、银浆等 PCB设计室

20. 单层柔性板结构 PCB设计室

21. 双层柔性板结构 PCB设计室

22. 多层柔性板结构 PCB设计室

23. 柔性板设计要点 • 单面铜箔的弯折特性强于双面铜箔，在弯折特性要求较高的情况下使用单面铜箔 • 多层板动态弯折区域要各层分开，使各层板之间应力最小 • 电路设计与机械设计紧密结合，外形设计是柔性板设计的关键 PCB设计室

24. 软硬结合板介绍（一） • 　刚挠多层印制板（flex-rigid multilayerprintedboard）作为一种特殊的互连技术，能够减少电子产品的组装尺寸、重量，实现不同装配条件下的三维组装，以及具有轻、薄、短、小的特点，但刚挠印制板也存在工艺复杂，制作成本高以及不易更改和修复等缺点 PCB设计室

25. 软硬结合板介绍（二） • 刚挠印制板是在挠性印制板上再粘结两个（或两个以上）刚性层，刚性层上的电路与挠性层上的电路通过金属化孔相互连通。每块刚挠性印制板有一个或多个刚性区和一个或多个挠性区 PCB设计室

26. 软硬结合板介绍（C3698） PCB设计室

27. C3698的设计特点 • 四层板，柔性部分二层单面板，动态区域为分开的两层 • 刚性层夹在两层柔性板中间，材料为普通FR4 • 线宽线距为0.1mm，通孔结构 • 弯折次数8万次以上 PCB设计室

28. 软硬结合板介绍（C777） PCB设计室

29. C777的设计特点 • 复杂的立体组装要求导致超长的开发周期 • 软硬结合板与带有激光孔的HDI的结合 • 软板部分分别为四层和二层的互相分离的单面板 • 硬板部分为带有激光盲孔的六层结构 • 弯折次数达到8万次以上 • 超复杂的设计导致极高的加工成本 PCB设计室

30. 软硬结合板小结 • 软硬结合板拥有柔性板在3D组装和动态应用方面的优势，又有刚性PCB布线密度高，可靠性高等特点 • 但是由于软硬结合板的材料和生产工艺技术都掌握在少数日本企业手中，导致采购成本极高 • 软硬板在使用硬板、FPC和连接器代替后成本大幅下降，同时可靠性和灵活性方面也有损失 • 软硬结合板代表柔性电路的发展方向 PCB设计室

31. PCB的设计 印制板的设计决定印制板的固有特性，在一定程度上也决定了印制板的制造、安装和维修的难易程度，同时也影响印制板的可靠性和成本。所以在设计时应遵循以下基本原则，综合考虑各项要素，才能取得较好的设计效果。 PCB设计室

32. PCB设计的原则 • 电气连接的准确性 • 电路板的可测试性 • 可靠性和环境适应性 • 工艺性(可制造性) • 经济性等 PCB设计室

33. PCB设计流程（一） • 建立元器件封装库 • 原理图输入 • 网表生成 • PCB叠层结构设计、材料工艺选择 • PCB外形设计 • 器件布局 • 布线设计 • 规则检查 PCB设计室

34. PCB设计流程（二） • 工艺性设计 • 拼板设计 • CAM数据输出 ············ PCB设计室

35. 高速设计的挑战 • 随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统的工作频率已经达到百兆甚至千兆的数量级。　当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。 PCB设计室

36. 什么是高速电路 • 通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说１／３），就称为高速电路。 • 实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果线传播延时大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。 PCB设计室

37. 电源完整性 • 电源完整性（Power Integrity，简称PI） • 当大量芯片内的电路输出级同时动作时，会产生较大的瞬态电流，这时由于供电线路上的电阻电感的影响，电源线上和地线上电压就会波动和变化 • 良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证 PCB设计室

38. 电源完整性设计 • 使用电源平面代替电源线，降低供电线路上的电感和电阻 • 电源平面和地平面相邻，电源和地紧密耦合 • 放置旁路电容下，1μF~10μF 电容放置在电路板的电源输入上，而0.01μF ~0.1μF 电容则放置在电路板的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上。 • 保证大电流器件电源的回流路径畅通无阻 PCB设计室

39. 信号完整性 • 信号完整性（Signal Integrity,简称SI）是指在信号线上的信号质量。高速电路的传输线效应导致信号完整性下降，会出现数据丢失、判断出错等问题 • 信号完整性是高速电路设计和仿真的热点，但是其中许多问题尚无定论 PCB设计室

40. 信号完整性问题 • 反射信号Reflected signals • 延时和时序错误Delay & Timing errors • 过冲与下冲Overshoot/Undershoot • 串扰Induced Noise (or crosstalk) • 电磁辐射EMI radiation PCB设计室

41. 信号的反射与震铃 • 传输线没有被正确终端匹配，来自驱动端的信号在接收端被反射，引发不预期效应，使信号轮廓失真。如果驱动端的阻抗与传输线不匹配，反射信号被反射到接收端，这样循环就会发生震铃现象 • 反射信号的强度按照如下公式，其大小取决于阻抗的不连续程度 PCB设计室

42. 信号反射的预防措施 • 严格控制关键网线的走线长度，减小传输线效应 • 通过合理的终端匹配避免阻抗的不连续分布 • 通过调整走线宽度，介质厚度等控制走线的特征阻抗 PCB设计室

43. 信号的延时和时序错误 • 传输线信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高、低之间保持一段时间不跳变，造成器件的逻辑误动 • 多数情况下一个网络有一个驱动端和多个接收端，必须严格控制各个接收端信号到达的有效的时间差（skew），确保在最坏的情况下能构正常工作 PCB设计室

44. 过冲和欠冲 • 过冲是指信号的电平超过逻辑门的最大工作阈值或小于逻辑门最小工作阈值； • 欠冲是指信号的电平小于逻辑门的最大工作阈值或大于逻辑门的最小工作阈值 • 过冲和欠冲会造成多次逻辑误动的错误出现 • 钳位电路改善过冲欠冲，但是在高速的情况下很难实现，但是良好的阻抗匹配可以有效的解决过冲欠冲问题 PCB设计室

45. 逻辑开关的错误翻转示意 PCB设计室

46. 串扰 • 当一个网络上有信号通过时，由于电磁耦合的作用会在相邻的网络上感应出相关的信号的现象成为串扰 • 由于串绕是电磁耦合形成的，故又可分为感性耦合和容性耦合 • 干扰源电流变化引起的磁场变化耦合到被干扰对象上产生感应电压 • 干扰源电压变化引起的电场变化耦合到被干扰对象上产生感应电流 PCB设计室

47. 串绕影响最小化的方法 • 电容和电感的串扰随负载阻抗的增加而增加，因此所有易受串扰影响的线路都应当端接线路阻抗。 • 分离信号线路，可以减少信号线路间电容性耦合的能量。 • 利用地线分离信号线路，可以减少电容的耦合。为了提高有效性，地线应每隔λ/4 与地层连接。 • 解决电感的串扰问题，应当尽可能地减小环路的大小，可能情况下，应消除环路。 • 避免信号返回线路共享共同的路径，也可以减少电感串扰。 PCB设计室

48. EMC与EMI • EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，EMC(Electro-Magnetic Compatibility)即电磁兼容 • 当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，这种电磁波会对系统的其他电路或者其他系统产生干扰 • 电磁兼容是对电子系统电磁干扰特性方面的要求：不干扰其他系统；对其他系统的电磁发射不敏感；对系统本身不产生感干扰 • 减小EMI的方法有：屏蔽、滤波、消除电流环路，可能时降低器件速度。 PCB设计室

49. EMI的抑制方法 • 避免人造环路，确保各信号线路上任意两点之间只有一个路径。 • 尽可能情况下采用电源层方案。地层会自动生成最小的自然电流环路。采用地线层时，一定要保证信号返回线路路径的通畅。 • 一般不推荐在信号线上使用滤波，只有在无法消除信号噪音源时，才在信号线上考虑滤波。滤波有三种选择：旁路电容、EMI 滤波器和磁珠。 • 在满足系统速度要求的情况下尽量选用跳变沿速度较慢的器件可以减少信号的高频能量辐射 PCB设计室

50. 高速电路设计参考资料 • 《High-Speed Digital System Design》－Stephen H. Hall &Garrett W. Hall& James A. McCall • 《High-speed Digital Design 》 － Johnson & Graham • 《Digital Signal Integrity-Modeling and Simulation with Interconnects and Package》－Brain Young PCB设计室