pcba成品中最核心的部分便是線路板,而線路板最基礎的便是線路,pcba抄板加工及pcba開發加工中對於線路板設計佈線的了解也是必不可少的。
pcb設計佈線應遵循的基本規則:
一、控制走線方向
輸入和輸出端的導線應盡量避免相鄰平行。在 pcb 佈線時,相鄰層的走線方向成正交結構,避免將不同的訊號線在相鄰層走成同一方向,以減少不必要的層間竄擾。訊號串擾對pcba加工成品的功能影響較大。當 pcb 佈線受到結構限制(如某些背板)難以避免出現平行佈線時,特別是在訊號速率較高時,應考慮用地平面隔離各佈線層,用地線隔離各訊號線。相鄰層的走線方向示意圖如下圖。
相鄰層佈線方式
二、檢查走線的開環和閉環
在pcb設計佈線時,為了避免佈線產生的「天線效應」,減少不必要的干擾輻射和接收,一般不允許出現一端浮空的佈線形式,否則可能給pcba加工帶來不可預知的結果。
避免天線效應
要防止訊號線在不同層間形成自環。在多層板設計中容易發生此類問題,而自環將引起輻射干擾。
三、控制走線的長度
1. 使走線長度盡可能的短
在 pcb 佈線時,應該使走線長度盡可能的短,以減少由走線長度帶來的干擾問題。
縮短佈線長度
2. 調整走線長度
pcba加工對時序有嚴格的要求,為了滿足訊號時序的要求,對pcb上的訊號走線長度進行調整已經成為pcb設計工作的一部分。
走線長度的調整包括以下兩個方面的要求。
a. 要求走線長度保持一致,保證訊號同步到達若干個接收器。有時在pcb上的一組訊號線之間存在著相關性,如匯流排,就需要對其長度進行校正,因為需要訊號在接收端同步。調整方法就是找出其中最長的那根走線,然後將其他走線調整到等長。
b. 控制兩個器件之間的走線延遲為某乙個特定值,如控制器件a、b之間的導線延遲為1ns,而這樣的要求往往由電路設計者提出,但由pcb工程師去實現。需要注意的是,在pcb上的訊號傳播速度是與pcb的材料、走線的結構、走線的寬度、過孔等因素相關的。通過訊號傳播速度,可以計算出所要求的走線延遲對應的走線長度。
走線長度的調整常採用的是蛇形線的方式。
四、控制走線分支的長度
在pcb設計佈線時,盡量控制走線分支的長度,使分支的長度盡量短,另外一般要求走線延時tdelay≤trise/20,其中trise是數碼訊號的上公升時間。走線分支長度控制示意圖
控制分支長度
五、拐角設計
在pcb設計佈線時,走線拐彎是不可避免的,當走線出現直角拐角時,在拐角處會產生額外的寄生電容和寄生電感。走線拐彎的拐角應避免設計成銳角和直角形式,以免產生不必要的輻射,影響pcba加工成品效能。同時銳角和直角形式的工藝效能也不好。要求所有線與線的夾角應大於等於135°。在走線確實需要直角拐角的情況下,可以採取兩種改進方法:一種是將90°拐角變成兩個45°拐角;另一種是採用圓角。圓角方式是最好的,45°拐角可以用到10ghz頻率上。對於45°拐角走線,拐角長度最好滿足l≥3w。
拐角佈線方式
六、差分對走線
為了避免不理想返回路徑的影響,可以採用差分對走線。為了獲得較好的訊號完整性,可以選用差分對走線來實現高速訊號傳輸。前面介紹的lvds電平的傳輸採用的就是差分傳輸線的方式。
1. 差分訊號傳輸優點:
a. 輸出驅動總的di/dt會大幅降低,從而減小了軌道塌陷和潛在的電磁干擾。
b. 與單端放大器相比,接收器中的差分放大器有更高的增益。
c. 差分訊號在一對緊耦合差分對中傳輸時,在返回路徑中對付串擾和突變的魯棒性更好。
d. 因為每個訊號都有自己的返回路徑,所以差分訊號通過接外掛程式或封裝時,不易受到開關雜訊的干擾。
2. 差分訊號的缺點:
a. 如果不對差分訊號進行恰當的平衡或濾波,或者存在任何共模訊號,就可能會產生emi問題。
b. 與單端訊號相比,傳輸差分訊號需要雙倍的訊號線。
pcb上的差分對走線如下圖
差分布線
3. 設計差分對走線時,要遵循以下原則:
a. 保持差分對的兩訊號走線之間的距離s在整個走線上為常數。
b. 確保d>2s,以最小化兩個差分對訊號之間的串擾。
c. 使差分對的兩訊號走線之間的距離s滿足s=3h,以便使元件的反射阻抗最小化。
d. 將兩差分訊號線的長度保持相等,以消除訊號的相位差。
e. 避免在差分對上使用多個過孔,因為過孔會產生阻抗不匹配和電感。
七、控制pcb導線的阻抗和走線終端匹配
在高速數位電路pcba加工和射頻電路pcba加工中,對pcb導線的阻抗是有要求的,需要控制pcb導線的阻抗。在pcb設計佈線時,同一網路的線寬應保持一致。由於線寬的變化會造成線路特性阻抗的不均勻,對高速數位電路傳輸的訊號會產生反射,故在設計中應該盡量避免出現這種情況。在某些條件下,如接外掛程式引出線、bga封裝的引出線等類似的結構時,如果無法避免線寬的變化,應該盡量控制和減少中間不一致部分的有效長度。
在高速數位電路中,當pcb設計佈線的延遲時間大於訊號上公升時間(或下降時間)的1/4時,該佈線即可以看成傳輸線。為了保證訊號的輸入和輸出阻抗與傳輸線的阻抗正確匹配,可以採用多種形式的終端匹配方法,所選擇的匹配方法與網路的連線方式和佈線的拓撲結構有關。
八、設計接地保護走線
在模擬電路的pcb設計中,保護走線被廣泛地使用,例如,在乙個沒有完整的地平面的兩層板中,如果在乙個敏感的音訊輸入電路的走線兩邊並行走一對接地的走線,串擾可以減少乙個數量級。
在數位電路中,可以採用乙個完整的接地平面取代接地保護走線,接地保護走線在很多地方比完整的接地平面更有優勢。
接地保護走線例項
根據經驗,在兩條微帶線之間插入兩端接地的第三條線,兩條微帶之間的耦合則會減半。如果第三條線通過很多通孔連線到接地平面,則它們的耦合將進一步減小。如果有不止乙個地平面層,則要在每條保護走線的兩端接地,而不要在中間接地。
注意:在數位電路中,如果兩條走線之間的距離(間距)足夠並允許引入一條保護走線,那麼兩條走線相互之間的耦合通常已經很低了,也就沒有必要設定一條接地保護走線了。
九、防止走線諧振
在pcb設計佈線時,佈線長度不得與其波長成整數倍關係,以免產生諧振現象。
佈線防止諧振
十、佈線的一些工藝要求
1.佈線範圍
佈線範圍尺寸要求如表,包括內外層線路及銅箔到板邊、非金屬化孔壁的尺寸。
板外形要素 內層線路及銅箔 外層線路及銅箔
距邊最小尺寸 一般邊
≥0.5(20)
≥0.5(20)
導槽邊≥1(40)
導軌深+2
拼板分離邊 v槽中心 ≥1(40) ≥1(40)
郵票孔邊 ≥0.5(20) ≥0.5(20)
距非金屬化孔壁
最小尺寸
一般孔 0.5(20)(隔離圈) 0.3(12)封孔圈
單板起拔扳手軸孔 2(80) 扳手活動區不能佈線
2. 佈線的線寬和線距
在pcba組裝加工密度許可的情況下,應盡量選用較低密度佈線設計,以提高無缺陷和可靠性的製造能力。目前一般廠家加工能力為:最小線寬為0.127mm(5mil),最小線距為0.127mm(5mil)。常用的佈線密度設計參考如表。
名稱 12/10 8/8 6/6 5/5
線寬 0.3(12) 0.2(8) 0.15(6) 0.127(5)
線距 0.25(10)
線焊盤距
焊盤間距
3. 導線與片式元器件焊盤的連線
連線導線與片式元器件時,原則上可以在任意點連線。但對採用再流焊進行焊接的片式元器件,最好按以下原則設計。
a. 對於採用兩個焊盤安裝的元器件,如電阻、電容,與其焊盤連線的印製導線最好從焊盤中心位置對稱引出,且與焊盤連線的印製導線必須具有一樣寬度。對線寬小於0.3mm(12mil)的引出線可以不考慮此條規定。
b. 與較寬印製線連線的焊盤,中間最好通過一段窄的印製導線過渡,這一段窄的印製導線通常被稱為「隔熱路徑」,否則,對於2125(英製即0805)及其以下片式類smd,焊接時極易出現「立片」缺陷。具體要求如圖。
焊盤導線佈線
4. 導線與soic,plcc,qfp,sot等器件的焊盤連線
連線線路與soic,plcc,qfp,sot等器件的焊盤時,一般建議將導線從焊盤兩端引出,如圖。
佈線說明
5. 線寬與電流的關係
當訊號平均電流比較大時,需要考慮線寬與電流的關係,具體引數可以參考下表。在pcb設計加工中常用oz(盎司)作為銅箔的厚度單位。1oz銅厚定義為一平方英吋面積內銅箔的重量為一盎,對應的物理厚度為35μm。當銅箔作為導線並通過較大電流時,銅箔寬度與載流量的關係應參考表中的資料降額50%去使用。
導線載流表
pcb佈線規範
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