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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
简介
PCB(printed circuit board),也就是说,印刷电路板是在绝缘基材上,根据预定设计制作印刷电路、印刷元件或由两者组成的导电图形。
作为部件的支持,提供系统电路工作所需的电气连接,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本部件,广泛应用于电子行业。本讲义主要介绍手机PCB应用特点。
历史沿革
PCB它诞生于20世纪40年代和50年代,发展于80年代和90年代。随着半导体技术和计算机技术的进步,印刷电路板向高密度、细导线和更多层发展,其设计技术也从较初的手绘发展到计算机辅助设计(CAD)电子设计自动化(EDA).
手机PCB的分类
根据所用基材的机械特性。可分为刚性电路板(Rigid PCB) ,柔性电路板(Flex PCB)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)。
刚性PCB介绍
刚性PCB纸基材或玻璃布基材通常由铜板制成,组装和使用过程不能弯曲。手机中使用的刚性板大多是多层板。
手机中使用的刚性多层板可分为普通多层板、激光孔多层板和特殊结构多层板(ALIVH等)
刚性板具有可靠性高、成本低、灵活性差等特点
普通多层板结构图
普通多层板一般是指只有机械孔的多层板
介绍普通多层板
机械钻孔可穿过所有线路层(通孔)或只穿过部分线路层(盲、埋孔)
线宽线距较小0.1mm。机械钻孔一般孔径大于一般孔径0.2mm
优点:成本低,加工周期短
缺点:钻孔大,布线密度低
适用于相对简单的电路,目前应用787方案2lcd板、W 项目 lcd板等
带激光孔的多层板示例一
结构示例二
结构示例三
结构示例四
激光孔多层板总结
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布线密度高的表面安装面积
目前能加工的厂家很多。
可根据电路的复杂性选择不同的层压结构,易于控制成本
目前机型:C2198、C389、C399、CP389、C668、C797lcd板、CM-3、CM-4等
Alivh结构
Alivh特征(优势)
孔径0.2mm或更小,但使用铜粉塞孔后以节省大量的表面积
导通孔上的焊盘可与导通孔共用
设计自由灵活,开发周期短
布线密度高,有利于设备的小型化。目前应用型号C3698系列、C777系列、SP-1、W
Alivh特征(缺点)
海外采购、成本较高
专利技术掌握在少数厂家手中,供应商较少
日可以生产,如松下,CMK、日立等
柔性板简介
柔性板(fpc)电路板采用柔性基材,成品可立体组装甚至动态应用
柔性板加工工艺复杂,周期长
柔性板的优点是应用灵活,但其布线密度仍无法与刚性板相比
柔性板的主要成本取决于其材料成本
目前使用的型号有C2198、C777、C797等
柔性板材料(1)
柔性板材料(2)
Copper foil铜箔分为压延铜和电解铜。压延铜具有良好的弯曲特性,厚度一般为0.5到2OZ。(1Oz=35微米)
Base film(基材)Coverlay(覆盖模)材料一般为PI,是一种耐热的树脂材料
还有胶、墨、银浆等材料
单层柔性板结构
双层柔性板结构
多层柔性板结构
柔性板设计要点
单面铜箔的弯曲特性强于双面铜箔,当弯曲特性要求较高时,使用单面铜箔
多层板的动态弯曲区域应分开,各层板之间的应力较小化
电路设计与机械设计紧密结合,外观设计是柔性板设计的关键
介绍软硬结合板(1)
刚抓多层印刷板(flex-rigid multilayer printed board)作为一种特殊的互连技术,可以降低电子产品的装配尺寸和重量,在不同的装配条件下实现三维装配,具有轻、薄、短、小的特点,但刚性印刷板也存在工艺复杂、生产成本高、不易更换和修复等缺点
介绍软硬结合板(2)
刚性印刷板是将两个(或两个以上)刚性层粘结在柔性印刷板上,刚性层上的电路通过金属化孔与柔性层上的电路相连。每个刚性印刷板都有一个或多个刚性区域和一个或多个柔性区域
介绍软硬结合板(C3698)
C3698的设计特点
四层板,柔性部分二层单板,动态区域为两层
刚性层夹在两层柔性板的中间,材料是普通的FR4
线宽线距为0.1mm,通孔结构
弯曲次数超过8万次
介绍软硬结合板(C777)
C777的设计特点
复杂的三维组装要求导致开发周期过长
带激光孔的软硬结合板和软硬结合板HDI的结合
分别为四层和二层的单板
硬板部分为带激光盲孔的六层结构
弯曲次数超过8万次
超复杂的设计导致了极高的加工成本
软硬结合板总结
软硬结合板有柔性板3D组装和动态应用的优势,刚性PCB布线密度高,可靠性高
但由于软硬结合板的材料和生产技术掌握在少数日本企业手中,采购成本极高
使用硬板的软硬板,FPC更换连接器后,成本显著降低,可靠性和灵活性也有损失
软硬结合板代表了柔性电路的发展方向
PCB的设计
印刷板的设计决定了印刷板的固有特性,在一定程度上也决定了印刷板的制造、安装和维护难度,但也影响了印刷板的可靠性和成本。因此,在设计中应遵循以下基本原则,综合考虑各种元素,以达到更好的设计效果。
PCB设计的原则
电气连接的准确性
可电路板
可靠性和环境适应性
工艺(可制造性)
经济性等
PCB设计过程(1)
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设计过程(二)
工艺性设计
拼板设计
CAM数据输出
············
挑战高速设计
随着系统设计和集成度的大规模提高,电子系统的工作频率已达到100兆甚至100兆。复杂的系统工作50MHz当系统时钟达到时,会产生传输线效应和信号完整性;120MHz除非使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计PCB不能工作。
什么是高速电路
如果数字逻辑电路的频率达到或超过45MHZ~50MHZ,而且,在这个频率以上工作的电路已经占据了整个电子系统的一定重量(如1/3),称为高速电路。
事实上,信号边缘的谐波频率高于信号本身,这是信号快速变化的上下边缘(或信号跳转)导致信号传输的非预期结果。因此,通常规定,如果线传输延迟大于数字信号驱动端的1/2,则认为此类信号是高速信号,并产生传输线效应。
电源完整性
电源完整性(Power Integrity,简称PI)
当大量芯片中的电路输出级同时移动时,会产生较大的瞬态电流。此时,由于电源线上的电阻电感,电源线和地线上的电压会波动和变化
良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证
电源完整性设计
用电源平面代替电源线,减少电源线上的电感和电阻
电源平面与地平面相邻,电源与地面紧密耦合
放置旁路电容,1μF~10μF 电容器放置在电路板的电源输入上,0.01μF ~0.1μF 电容放置在电路板各有源设备的电源引脚和接地引脚上。
确保大电流器件电源的回流路径畅通无阻
信号完整性
信号完整性(Signal Integrity,简称SI)是指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、数据丢失、判断错误等问题
信号完整性是高速电路设计和模拟的热点,但许多问题尚未确定
信号完整性
反射信号Reflected signals
延迟和时序错误Delay & Timing errors
过冲与下冲Overshoot/Undershoot
串扰Induced Noise (or crosstalk)
电磁辐射EMI radiation
信号的反射与震铃
传输线未与正确的终端匹配,驱动端的信号在接收端反射,造成意想不到的效果,扭曲信号轮廓。如果驱动端的阻抗与传输线不匹配,反射信号将反射到接收端,从而在循环中铃
反射信号的强度取决于阻抗的不连续性
预防信号反射的措施
严格控制关键网线的布线长度,降低传输线效应
避免阻抗的不连续分布
控制布线的特性阻抗,如调整布线宽度和介质厚度
延迟信号和时间顺序错误
传输线的信号延迟和时间错误表现为:信号在逻辑电平的高低之间保持一段时间,导致设备的逻辑误动
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),确保在较坏的情况下正常工作
过冲和欠冲
过冲是指信号电平超过逻辑门或小于逻辑门的较大工作阈值;
欠冲是指信号电平小于逻辑门或大于逻辑门的较大工作阈值
过冲和欠冲会导致多次逻辑误动
钳位电路改善过冲欠冲,但高速时难以实现,但良好的阻抗匹配能有效解决过冲欠冲问题
逻辑开关的错误翻转示意
串扰
当网络上有信号通过时,由于电磁耦合的作用,相关信号的现象会在相邻的网络上感应到串扰
由于串联是由电磁耦合形成的,可分为感性耦合和容性耦合
由干扰源电流变化引起的磁场变化耦合到 感应电压在干扰对象上产生
由干扰源电压变化引起的电场变化耦合到 感应电流在干扰对象上产生
串绕影响较小化的方法
随着负载阻抗的增加,电容和电感的串扰增加,因此所有易受串扰影响的线路都应端接线路阻抗。
分离信号线可以减少信号线之间电容耦合的能量。
地线分离信号线可以减少电容耦合。为了提高有效性,地线应每隔一次λ/4 与地层连接。
为了解决电感串扰问题,应尽量减少环路的大小,如果可能,应消除环路。
避免信号返回线路共享共同路径,减少电感串扰。
EMC与EMI
EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰,EMC(Electro-Magnetic Compatibility)即电磁兼容
当数字系统加电时,电磁波会辐射到周围环境,干扰系统的其他电路或其他系统
电磁兼容性是对电子系统电磁干扰特性的要求:不干扰其他系统;对其他系统的电磁发射不敏感;不干扰系统本身
减小EMI方法有:屏蔽、滤波、消除电流环路,可降低设备速度。
EMI的抑制方法
避免人工环路,确保每条信号线路的任何两点之间只有一条路径。
尽可能采用电源层方案。地层将自动生成较小的自然电流环。使用地线层时,确保信号返回线路路径畅通。
一般不建议在信号线上使用滤波器。只有当信号噪声源无法消除时,才考虑信号线上的滤波器。滤波器有三种选择:旁路电容器EMI 滤波器和磁珠。
在满足系统速度要求的情况下,尽量选择跳变速度慢的装置,可以减少信号的高频能量辐射
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
结论(发展趋势)
更加灵活的PCB设计和模拟工具PCB设计更智能,但设计师的重要性不可替代
PCB加工工艺的发展使密度更高PCB设计是可能的
降低材料成本和加工成本将使软硬结合板大规模应用,
埋入式设备的发展将逐渐模糊板级设计与芯片级设计之间的界限
高端服务生产PCB产品
2-40层PCB高可靠制造
盲埋孔(HDI)1,2,3阶
软硬结合线路板
背钻,金手指以及超厚铜板