印制板电磁兼容性设计印制板电磁兼容性设计（一）（一）第七章第七章 王志福王志福一、PCB板介绍二、PCB板电磁辐射一、一、印制电路板设计印制电路板设计 印制电路板印制电路板EMC设计是产品设计是产品EMC设设计的基础计的基础.在在PCB设计阶段处理好设计阶段处理好EMC问题问题,是是使产品实现电磁兼容最有效使产品实现电磁兼容最有效,成本最低的成本最低的手段手段.1 印制电路板概述印制电路板概述nPCB（printed circuit board），即印），即印制电路板制电路板.是在绝缘基材上，按预定设计，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而成的导电图形后制成的板n它作为元器件的支撑，并且提供系统电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，在电子工业中有动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用广泛应用PCB的分类n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(FlexRigid PCB)n按导体图形的层数可分为单面/双面和多层印制板。
目前使用的电路板多为高密度互连多层电路板（high density integrated board)n单面板单面板(Single-Sided Boards)(Single-Sided Boards)在最基本的在最基本的PCBPCB上，零件集中在其中一面，上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上因为导线只出现在其导线则集中在另一面上因为导线只出现在其中一面，所以就称这种中一面，所以就称这种PCBPCB叫作单面板叫作单面板（Single-sidedSingle-sided）因为单面板在设计线路上）因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子的电路才使用这类的板子n双面板（双面板（Double-Sided BoardsDouble-Sided Boards）这种电路板的两面都有布线不过要用上这种电路板的两面都有布线不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行这种电路间的桥梁叫做导孔接才行。
这种电路间的桥梁叫做导孔（via）导孔是在）导孔是在PCB上，充满或涂上金属的上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接因为双面小洞，它可以与两面的导线相连接因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上在比单面板更复杂的电路上双面板（双面板（Double-Sided Boards）n 为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压面的布线板并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层合）板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层数都是偶数，并且包含最外侧的两层在多层板在多层板PCB中，将各层分类为信号层（中，将各层分类为信号层（Signal），），电源层（电源层（Power）或是地线层（）或是地线层（Ground）导孔（导孔（viavia）如果应用在双面板上，那么一定都是打）如果应用在双面板上，那么一定都是打穿整个板子。
不过在多层板当中，如果您只想连接其中一穿整个板子不过在多层板当中，如果您只想连接其中一些线路，那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间埋些线路，那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间埋孔（孔（Buried viasBuried vias）和盲孔（）和盲孔（Blind viasBlind vias）技术可以避免）技术可以避免这个问题，因为它们只穿透其中几层盲孔是将几层内部这个问题，因为它们只穿透其中几层盲孔是将几层内部PCBPCB与表面与表面PCBPCB连接，不须穿透整个板子埋孔则只连接内连接，不须穿透整个板子埋孔则只连接内部的部的PCBPCB，所以光是从表面是看不出来的所以光是从表面是看不出来的多层板（多层板（Multi-Layer Boards）多层板（多层板（Multi-Layer Boards）n盲孔盲孔:位于位于PCB的顶层和底层表面将几层的顶层和底层表面将几层内部内部PCB与表面与表面PCB连接连接,不需穿透整个不需穿透整个多层板多层板.n埋孔埋孔:位于位于PCB的内层的内层,只连接内部只连接内部PCB,不延伸到不延伸到PCB的表面的表面.所以所以,从表面上是看从表面上是看不出来的不出来的.n通孔通孔:孔穿过整个孔穿过整个PCB 多层板（多层板（Multi-Layer Boards）盲孔盲孔 埋孔埋孔 通孔通孔多层板（多层板（Multi-Layer Boards）刚性刚性PCBn刚性刚性PCB的通常使用纸质基材或玻璃布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基材覆铜板制成，装配和使用过程不可弯曲。
弯曲n刚性多层板又可分为普通多层板，带有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激光孔的多层板和特殊结构多层板如（ALIVH等）等）n刚性板的特点是可靠性高，成本较低，刚性板的特点是可靠性高，成本较低，但应用的灵活性差但应用的灵活性差普通多层板介绍普通多层板介绍n机械钻孔可以贯穿所有线路层（通孔）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）或只贯穿部分线路层（盲，埋孔）n线宽线距最小线宽线距最小0.1mm机械钻孔一般孔机械钻孔一般孔径大于径大于0.2mmn优点：成本低，加工周期短优点：成本低，加工周期短n缺点：钻孔较大，布线密度比较低缺点：钻孔较大，布线密度比较低 n适用于比较简单的电路适用于比较简单的电路.激光钻孔多层板激光钻孔多层板n激光钻孔精度高，电镀后性能可靠激光钻孔精度高，电镀后性能可靠n钻孔直径可小于钻孔直径可小于0.1mm，节省，节省pcb的表的表面安装面积，走线密度较高面安装面积，走线密度较高n目前能够加工的厂家比较多目前能够加工的厂家比较多n根据电路的复杂程度可以选择不同的叠根据电路的复杂程度可以选择不同的叠层结构，易于控制成本层结构，易于控制成本柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)n柔性板（柔性板（fpc）是使用可挠性基材制成的电）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路板，成品可以立体组装甚至动态应用n柔性板加工工序复杂，周期较长柔性板加工工序复杂，周期较长n柔性板的优势在于应用的灵活，但是其布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线密度仍然无法和刚性板相比n柔性板的主要成本取决于其材料成本柔性板的主要成本取决于其材料成本柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)n柔性电路板体积小柔性电路板体积小,重量轻重量轻,可替代体积较可替代体积较大的线束导线大的线束导线,是满足小型化和移动要求是满足小型化和移动要求的唯一解决方法的唯一解决方法.总重量和体积要比传统总重量和体积要比传统的导线束减少的导线束减少70%.柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)n柔性板的功能柔性板的功能:1.引线引线(Lead Line)硬板间连接硬板间连接 2.PCB 高密度薄型立体电路高密度薄型立体电路 3.连接器连接器(Connector)硬板间连接硬板间连接 4.多功能整合系统多功能整合系统 (Integration of Function)柔性板的应用范围柔性板的应用范围:小型或薄型电子机构及硬板间的连接等小型或薄型电子机构及硬板间的连接等.柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)n单面柔性板已用于打印机喷墨盒和计算机单面柔性板已用于打印机喷墨盒和计算机存储器存储器.n双面柔性板是在基膜的两面各有一层蚀刻双面柔性板是在基膜的两面各有一层蚀刻制成的导电图形制成的导电图形.n多层柔性板是将三层或更多层单面柔性板多层柔性板是将三层或更多层单面柔性板或双面柔性板层压在一起形成或双面柔性板层压在一起形成.n刚刚-柔板由刚性和柔性基板层压在一起组成柔板由刚性和柔性基板层压在一起组成柔性板柔性板(软性线路板软性线路板)折叠 按键垫 医疗器械 PCB 也正朝着小型也正朝着小型,轻量化和高密度化方向发展。
轻量化和高密度化方向发展一一.通孔多层板通孔多层板:常规常规PCB-电气互连是通过过孔金属化和电镀实电气互连是通过过孔金属化和电镀实现现二二.高密度互连积层多层板高密度互连积层多层板(BUM)1,芯板芯板+积层积层 HDI高密度互连积层多层板高密度互连积层多层板过孔金属化和电过孔金属化和电镀镀 2,无芯板无芯板(全积层全积层)全层导通孔构造的积层多层板全层导通孔构造的积层多层板ALIVH(Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)-层间电气互连是通过小孔堵塞导电胶实现层间电气互连是通过小孔堵塞导电胶实现,批量应用批量应用于中于中.由于可以进行更高密度布线，使基板重量减小了由于可以进行更高密度布线，使基板重量减小了60，体积也减少了，体积也减少了30传统的通孔多层板白白浪费了许多传统的通孔多层板白白浪费了许多PCB的有效面积的有效面积ALIVH技术特点技术特点:不用芯板和不用孔化及电镀方法来实现层间不用芯板和不用孔化及电镀方法来实现层间电气的互连电气的互连在它的组成结构上，没有芯板部分和积层部分在它的组成结构上，没有芯板部分和积层部分的区别。
它可以在所有布线层之间的任意位置形成的区别它可以在所有布线层之间的任意位置形成IVH（内（内连导通孔）连导通孔）过孔电气连接技术过孔电气连接技术 ALIVH的过孔电气连接技术是它区别于传统多层板的过孔电气连接技术是它区别于传统多层板及其他及其他BUM板的关键技术板的关键技术.它不是通过孔的金属化和电它不是通过孔的金属化和电镀方法，而是采用铜粉（或其他少量的金属粉末）、硬镀方法，而是采用铜粉（或其他少量的金属粉末）、硬化材料、环氧树脂材料等组成的导电胶阻塞微小孔来实化材料、环氧树脂材料等组成的导电胶阻塞微小孔来实现电气互连的充填导电胶采用不锈钢模板刮印的方法，现电气互连的充填导电胶采用不锈钢模板刮印的方法，把导电胶刮压入孔中，接着在其两面加上粗化后的铜箔把导电胶刮压入孔中，接着在其两面加上粗化后的铜箔（一般为（一般为1/2OZ厚度），然后在高温环境下进行层压，厚度），然后在高温环境下进行层压，使得绝缘基板的材料和导电胶中的树脂固化，并和铜箔使得绝缘基板的材料和导电胶中的树脂固化，并和铜箔粘合在一起，这样便形成了两层之间电气的互连由于粘合在一起，这样便形成了两层之间电气的互连由于没有电镀铜层，仅仅由铜箔构成导体，导体厚度就一样没有电镀铜层，仅仅由铜箔构成导体，导体厚度就一样高，有利于形成更精细的导线。
高，有利于形成更精细的导线PCB设计的原则设计的原则n电气连接的准确性电气连接的准确性n电路板的可测试性电路板的可测试性n可靠性和环境适应性可靠性和环境适应性n工艺性工艺性(可制造性可制造性)n经济性等经济性等PCB设计的步骤设计的步骤原理图设计原理图设计 布局布局 布线布线 优化优化高速设计的挑战高速设计的挑战n线路板技术的提高是随着芯片的封装技术线路板技术的提高是随着芯片的封装技术与表面安装技术的提高而提高与表面安装技术的提高而提高n随着系统设计复杂性和集成度的大规模提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；而当系统时钟达到题；而当系统时钟达到120MHz时，除非时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的法设计的PCB将无法工作将无法工作一、PCB介绍二、PCB板的电磁辐射 线路板的两种辐射机理差模辐射差模辐射共模辐射共模辐射电流环电流环杆天线杆天线 差模辐射机理 许多产品工作在几百兆赫兹频许多产品工作在几百兆赫兹频率以上率以上,波长如此之短波长如此之短,以致以致PCBPCB上上的走线恰好成为四分之一波长或的走线恰好成为四分之一波长或其整数倍的单极天线或小环天线其整数倍的单极天线或小环天线.Emission from Differential Mode CurrentmvrfIAKE/2=A loop antenna地线电位示意图 2mV200mV2mV 10mV10mV 20mV20mV 100mV100mV 200mV 共模辐射机理如何减小差模辐射？如何减小差模辐射？E =2.6 I A f 2 /D低通滤波器低通滤波器布线布线 怎样减小共模辐射 E=1.26 I L f /D 共模滤波共模滤波共模扼流圈共模扼流圈减小共模电压减小共模电压使用尽量使用尽量短的电缆短的电缆共模滤波共模滤波电缆屏蔽电缆屏蔽一、一、1/tr 100MHz电源完整性设计电源完整性设计 （Power Integrity，PI）当芯片内大量晶体管输出级同时动作时，会产当芯片内大量晶体管输出级同时动作时，会产生较大的瞬态电流生较大的瞬态电流di/dtdi/dt，由于供电线路上的引线，由于供电线路上的引线电感电感L L的影响，将产生反电动势的影响，将产生反电动势,使电源电压和地使电源电压和地电位发生波动和变化电位发生波动和变化;良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证,控制电源面和地平面之间的阻抗控制电源面和地平面之间的阻抗是关键是关键.阻抗越低阻抗越低,上述波动和变化也越低上述波动和变化也越低.1.电源完整性设计首先应做到电源完整性设计首先应做到:n使用多层板使用多层板,用电源平面代替电源线，降低供用电源平面代替电源线，降低供电线路上的引线电感电线路上的引线电感.用接地平面代替地线用接地平面代替地线,降降低其引线电感低其引线电感.n电源平面和地平面相邻，使环路面积为零电源平面和地平面相邻，使环路面积为零.n保证大电流器件电源的回流路径畅通无阻保证大电流器件电源的回流路径畅通无阻.2.PCB电源分配系统设计电源分配系统设计 1).根据系统要求确定目标阻抗根据系统要求确定目标阻抗;2).在所要求的频率范围内在所要求的频率范围内,设计电源设计电源/地平面的输入阻抗地平面的输入阻抗,即源阻即源阻抗抗,使其低于目标阻抗使其低于目标阻抗;3).电源分配系统建模电源分配系统建模 (1)电源模块电源模块(VRM)模型图模型图,响应频率范围为直流至响应频率范围为直流至1kHz;(2)去耦电容模型图去耦电容模型图 集总参数电容器集总参数电容器:在在1kHz1MHz频率范围内作出响应频率范围内作出响应;高频电容器高频电容器:在在1MHz几百几百MHz频率范围内作出响应频率范围内作出响应;PCB电源电源/地平面电容地平面电容:在在100MHz以上频率范围内响应以上频率范围内响应.3.PCB电源电源/地平面模型图地平面模型图 高频时相当于谐振腔高频时相当于谐振腔,分析方法分析方法:n三维全波电磁场建模和仿真三维全波电磁场建模和仿真.n分布参数分布参数/集总参数等效电路和仿真集总参数等效电路和仿真.即即将将PCB平面分成许多小单元平面分成许多小单元,将每个单元将每个单元作为集总参数传输线建模作为集总参数传输线建模.4.选择适当的去耦电容及安装位置选择适当的去耦电容及安装位置n确定集总参数电容量值,寄生R/L,及其总数;n确定高频电容量值,寄生R/L,及其总数.5.叠层设计叠层设计n电源/地平面选择;nPCB尺寸,形状和材料选择.6.电源完整性解决方案电源完整性解决方案 例:电源/地平面电压的变化即I噪声电压,必须小于电源电压(设为3.3V)的+/-5%,即0.053.3V=165mV 设I噪声电流与瞬态负载电流为2A,则电源分配系统的目标阻抗为 165mV/2A=82.5m 未加去耦电容时,裸板所具有的阻抗高于目标阻抗;根据Z=1/jC,为了在1MHz满足目标阻抗的要求,去耦电容值为2F,即22个0.1F.但在频率高端,仍不满足要求.增加了每个为10nF的第二组矩阵.第三组为1nF的电容.再增加第四组矩阵.加入不同量值的去耦电容后,I噪声电压低于165mV.满足目标阻抗要求.例:300mm200mm的4层PCB的PDS阻抗.红色曲线是未加滤波电容时测试点处的阻抗曲线.在25MHz有10峰值.在峰值点附近加两个谐振频率为26.4MHz的大电容后,得到绿色曲线.25MHz峰值降到0.1以下.但60MHz出现小峰值.再在峰值点附近加两个谐振频率为58.2MHz的小电容,得到蓝色曲线,60MHz小峰值降至0.1.PDS从直流至400MHz均满足目标阻抗要求.演讲完毕，谢谢观看！。