高頻電路板布線設(shè)計(jì)準(zhǔn)則講義(一)_圖文

1、臺(tái)達(dá)電子訓(xùn)練課程 講師: 丘韻奇920926 星期五0900 1200 , 1300 1600 920927 星期六0900 1200 , 1300 1600講課大綱0 前言p01 高頻的定義p42 阻抗設(shè)計(jì)與量測(cè)p103 反射和終端技術(shù)p314 去藕合電容p585 串音機(jī)制及其抑制p696 電磁匹配p917 埋入式被勳元件之設(shè)計(jì)p1178 散熱p1409 參考文獻(xiàn)p1630。前言們對(duì)於電子裝置的需求是快,還要更快。好,還要更好。為了滿足類的慾望所有產(chǎn)品使用的速率是愈來(lái)愈高了。在電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)運(yùn)用的頻率是不斷的往昇! 圖0 1 速率的躍進(jìn)為了也能夠滿足輕、薄、短、小的目標(biāo),電子產(chǎn)品也是愈做愈小。

2、尤其是電子元件的包裝更是朝微小化的方向邁進(jìn)。當(dāng)然印刷電路板的密度也相對(duì)的要提高。銅箔線的線寬也從以往的8mil 到5mil ,4mil 以至3mil 。甚至3mil 以的需求也有提到。這就是在1997年提出的HDI(High Density Interconnection;電路板要做到細(xì)線小孔(fine line , small hole 5 6 mil的程度。細(xì)線是指2 3 mil 的線寬。小孔(micro-via 是指孔徑平均在6mil(0.15nm以者。成孔法有CO2雷射、YAG 雷射、感光、電漿、等各種方法。但目前量產(chǎn)之增層手機(jī)板,絕大多數(shù)均採(cǎi)CO2雷射成孔。 為了滿足細(xì)線小孔的要求

3、增層法(built up製程就因應(yīng)而生了。圖 0 2 增層法(built up的圖示12345678FR-4 PCB 12l a y e r s>>>8l a y e r s .面積可減至60% .表說(shuō)明了傳統(tǒng)電路板製程和HDI的差異傳統(tǒng)的含有盲孔的微孔HDI電路板電路板電路板面積(cm2 116 69 29重量(gm 36 21 2密度(cm/cm2 23.6 30 47線寬線距(cm 0.013 0.013 0.008(mil 5 5 3孔徑(cm 0.07 0.07 0.02(mil27 27 6印刷電路板電子元件運(yùn)作的頻率愈來(lái)愈高,佈線的密度也在提昇(線寬變細(xì)、間距變

4、小 ,因而訊號(hào)的傳輸和雜訊的干擾就會(huì)生成。這些都必需要有適當(dāng)?shù)奶幹谩Ｒ跃褪窃谌绱烁哳l、高密度狀況,印刷電路板的佈線設(shè)計(jì)時(shí)要注意的準(zhǔn)則。1.高頻的定義相當(dāng)高的頻率當(dāng)然是高頻。30M?50M?100M ?不過(guò)數(shù)位訊號(hào)high、low之間快速的變動(dòng)會(huì)引起許多高頻的諧波。當(dāng)這些高頻諧波的振幅大到會(huì)影響其他訊號(hào)時(shí)就產(chǎn)生了干擾的議題。假設(shè)如圖的方波重要的參數(shù)是週期、振幅、工作週期、昇時(shí)間和降時(shí)間。昇時(shí)間是由振幅1O%到9O%所需要的時(shí)間。降時(shí)間. 圖1-1 個(gè)方波的細(xì)部利用Fourier 轉(zhuǎn)換可以將橫軸的時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率由轉(zhuǎn)換後的結(jié)果可以看到除了主要頻率以外又出現(xiàn)了許多頻率較高的部分。這就是所謂的高頻諧波。

5、這些諧波和昇時(shí)間有關(guān),愈小的昇時(shí)間會(huì)造成愈高頻的諧波。 圖1-2 個(gè)方波的Fourier 轉(zhuǎn)換 圖1-3 Fourier 轉(zhuǎn)換後頻率之分佈假設(shè)Tr (ns rise time ,f=(GHz = 0.35/Tr*f=Vp ,Vp = C/r ,r=4.7 for FR4當(dāng)數(shù)位電路的導(dǎo)線長(zhǎng)大於1/7 時(shí)就應(yīng)該看成高頻訊號(hào)trans mission line來(lái)處理。類比電路的導(dǎo)線長(zhǎng)大於1/15 時(shí)就應(yīng)該看成高頻訊號(hào)trans mission line來(lái)處理。表顯示了在m i c r o-s t r i p佈線結(jié)構(gòu),不同的升時(shí)間和其應(yīng)注意之線長(zhǎng)。在m i c r o-s t r i p佈線結(jié)構(gòu)時(shí)表告

6、訴你不同邏輯族和非傳輸線的最大長(zhǎng)度邏輯族升時(shí)間非傳輸線的最大長(zhǎng)度(micro-strip Lmax=9*升時(shí)間74Lxxx 31ns279c m (110 inch74Cxxx25ns225 c m (88.5 inch74HCxxx13ns117c m (46 inch74xxx10ns90 c m (35.5 inch74LSxxx9ns85.5 c m (34 inch74HCTxxx5ns45 c m (18 inch74Hxxx4ns36 c m (14 inch74Sxxx3ns27 c m (10.5 inch74ALSxxx2ns18 c m (7 inch74ACTxxxEC

7、 L 10KBTL 1.0ns9c m (3.5 inchEC L100K0.75ns6c m (2.4 inchLVDS0.3 2.7c m (1.1 inchGTL+GaAs1-1另種評(píng)估訊號(hào)在電路板某點(diǎn)傳輸?shù)搅硗恻c(diǎn)所需要的時(shí)間是t p=l /v p當(dāng)訊號(hào)的昇時(shí)間遠(yuǎn)小於傳輸時(shí)間時(shí)傳輸線(trans mission line的效應(yīng)就顯現(xiàn)出來(lái)了。依照般經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)遇到t r < 2.5 t p就要考慮傳輸線(trans mission line的效應(yīng)了。如果t r >5 t p 時(shí)就不需要考慮傳輸線(trans mission line的效應(yīng)。至於 2.5 t p < t r &

8、lt; 5 t p 就看需求來(lái)決定了。以的數(shù)列可以參考;假設(shè)r為4,光速為3*108m/sec則訊號(hào)的速度就是v = C / r = 15 c m / nsec昇時(shí)間t r(psec 關(guān)鍵線長(zhǎng)l crit=vp t r/2.5(c m50 0.3100 0.6250 1.5500 3.0750 4.51000 6電子零件在高頻反應(yīng)的和低頻時(shí)大有不同。 電子訊號(hào)在高頻的環(huán)境運(yùn)作時(shí)有許多特殊的現(xiàn)象。例如會(huì)因阻抗不匹配而造成訊號(hào)的衰減反射扭曲訊號(hào)佈線不恰當(dāng)也會(huì)造成彼此之間的干擾這些等等我們統(tǒng)稱是發(fā)生了電磁干擾所以我們?cè)谧鰜丫€工作時(shí)應(yīng)該盡量避免訊號(hào)進(jìn)入高頻範(fàn)圍具體的做法是在可能的情況盡量使用細(xì)小的零件

9、System on chip使整個(gè)電路板縮小embedded passive component當(dāng)無(wú)法避免的要進(jìn)入高頻範(fàn)圍內(nèi)工作時(shí)佈線就要注意許多因素了 圖1-4高頻佈線流程2。特性阻抗電氣訊號(hào)在不同的介質(zhì)傳輸時(shí),會(huì)有反射、衰減等現(xiàn)象。這些都是因?yàn)榻橘|(zhì)的不同特性阻抗引起的。2.1特性阻抗(character impedance電流流經(jīng)任何物質(zhì)時(shí)都會(huì)碰到其特有的阻抗。決定這特性阻抗的因素有、介電系數(shù)和佈線的方式、線寬和電路板內(nèi)層與層之間的厚度。般來(lái)說(shuō)在電路板的佈線方法大約有列種;相對(duì)的特性阻抗就如公式; 圖2 - 1 micro-strip topology圖 2 - 1的佈線方式就是micro

10、-strip;在個(gè)大銅面,有條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以公式計(jì)算出; 其 E r 為電路板的介電系數(shù),電路板材料為FR4時(shí),其值是 4.4 4.7H;電路板內(nèi)層與層之間的厚度W;銅箔線的寬度T;銅箔線的厚度使用1英兩銅時(shí) T = 0.00014英吋使用1/2英兩銅時(shí) T = 0.00007英吋 圖 2 - 2embedded micro-strip topology圖 2 - 2的佈線方式就是embedded micro-strip;在個(gè)大銅面,有條銅箔線,在銅箔線又有層絕緣物質(zhì)。這種佈線方式的特性阻抗可以用圖 3 - 2內(nèi)公式計(jì)算出。 圖 2 - 3single strip-li

11、ne topology圖 3 - 3的佈線方式就是single strip-line;在兩個(gè)大銅面間,有條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以的公式計(jì)算出。 圖 2 - 4dual strip-line topology圖 2 -4的佈線方式就是dual strip-line;在兩個(gè)大銅面間,有兩條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以的公式計(jì)算出。 2.2 Ra mb usCPU 的運(yùn)作頻率增加快速,而記憶體和其存取的速度就明顯的落後。CPU 66 100 300 500 700RAM EDO PC100 PC133 PC266Rambus Inc. 就是為了大 幅提昇存取速度而開發(fā)出來(lái)新

12、規(guī)格;RambusChannel memoryarchitecture存取速度達(dá)到400 Mhz在如此高速狀況,佈線時(shí)就要考慮以因素;*整片電路板的阻抗匹配*實(shí)際佈線的狀況( topology *傳輸訊號(hào)的品質(zhì)*時(shí)序和同步等等. Rambus的阻抗值需求是28 Ohm +/- 10% 。般電路板的阻抗是65 Ohm +/- 15%。影響電路板特性阻抗的因素有;介電係數(shù)+/- 5% (0.2 1Ghz 線寬+/- 3% (0.5mil電路板材質(zhì)的厚度+/- 10% (0.4mil電鍍層的厚度止銲膜的厚度 圖 2 - 5 Rambus 的架構(gòu)調(diào)整相關(guān)參數(shù),就可以得到需要的阻抗值。 圖2 - 6 R

13、ambus的佈線方式 圖 2 - 7 Rambus的另種佈線方式2-3設(shè)計(jì)特性阻抗的工具 2-3-1 2-4 特性阻抗的測(cè)量佈線設(shè)計(jì)者依據(jù)系統(tǒng)需求,設(shè)計(jì)出需要的特性阻抗。電路板的製造者也忠實(shí)按照藍(lán)圖做出電路板。最後也是最關(guān)鍵的步驟就是如何確認(rèn)做出來(lái)的阻抗值就是需要的阻抗值?所以我們就會(huì)要用到某種儀器來(lái)測(cè)量。這儀器就是TDR (Time Domain Reflectometry 它是由個(gè)步階產(chǎn)生器(step generator和示波器(oscilloscope組成。 The Agilent 86100A is capable of performing TDR measurements with

14、 the 54753A single-ended and 54754A differential TDR modules. It is also forward compatible with other modules used in the 83480A and 54750A digitizing oscilloscopes.The Agilent 54754A provides two 18-GHz channels that have built-in TDR step generators. The two channels may work in tandem to provide differential and common mode2.5傳輸線的模型傳輸線的模型可以用連串的電阻、電容和電感組成。參看圖 圖 3-8 傳輸線的模型在某位置的電壓和電流可以用以公式說(shuō)明 所以阻抗就是 反射係數(shù)的定義是反射電壓和入射電壓的比值 2-6 TDR的測(cè)試原理套TDR儀器的方塊圖就如同圖所示 以圖示說(shuō)明了不同的負(fù)載示波器螢光幕顯示的狀