【華秋干貨鋪】PCB布線技巧升級：高速信號篇

華秋

如下表所示，接口信號能工作在8Gbps及以上速率，由于速率很高，PCB布線設(shè)計(jì)要求會更嚴(yán)格，在前幾篇關(guān)于PCB布線內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)本篇內(nèi)容的要求來進(jìn)行PCB布線設(shè)計(jì)。

高速信號布線時盡量少打孔換層，換層優(yōu)先選擇兩邊是GND的層面處理。盡量收發(fā)信號布線在不同層，如果空間有限，需收發(fā)信號走線同層時，應(yīng)加大收發(fā)信號之間的布線距離。

針對以上高速信號還有如下方面的要求：

01

BGA焊盤區(qū)域挖參考層

如果接口的工作速率≥8Gbps，建議在BGA區(qū)域，挖掉這些信號正下方的L2層參考層，以減小焊盤的電容效應(yīng)，挖空尺寸R=10mil。

如果接口的工作速率＜8Gbps，例如DP接口只工作在5.4Gbps，那么不用挖BGA區(qū)域的參考層，如下圖所示。

02

避免玻纖編織效應(yīng)

PCB基板是由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂填充壓合而成。玻璃纖維的介電常數(shù)大約是6，樹脂的介電常數(shù)一般不到3。在路徑長度和信號速度方面發(fā)生的問題，主要是由于樹脂中的玻璃纖維增強(qiáng)編織方式引起的。

較為普通的玻璃纖維編織中的玻璃纖維束是緊密絞合在一起的，因此束與束之間留出的大量空隙需要用樹脂填充，PCB中的平均導(dǎo)線寬度要小于玻璃纖維的間隔，因此一個差分對中的一條線可能有更多的部分在玻璃纖維上、更少的部分在樹脂上，另一條線則相反（樹脂上的部分比玻璃纖維上的多）。這樣會導(dǎo)致D+和D-走線的特性阻抗不同，兩條走線的時延也會不同，導(dǎo)致差分對內(nèi)的時延差進(jìn)而影響眼圖的質(zhì)量。

" h- o9 c: x9 S, V: u0 j# t/ C
6 r2 J1 t/ B& \/ H5 V

當(dāng)接口的信號速率達(dá)到8Gbps，且走線長度超過1.5inch，需謹(jǐn)慎處理好玻纖編織效應(yīng)。建議采用以下方式之一來避免玻纖編織效應(yīng)帶來的影響。

方式一：改變走線角度，如按10°~ 35°，或pcb生產(chǎn)加工時，將板材旋轉(zhuǎn)10°以保證所有走線都不與玻纖平行，如下圖所示。

: q* t: y* t! K6 s$ C& H

方式二：使用下圖走線，則W至少要大于3倍的玻纖編織間距，推薦值W=60mil，θ=10°，L=340mil。

' I# ~+ p/ u3 G
0 N! @  Q+ p2 M

03

差分過孔建議

1、高速信號盡量少打孔換層，換層時需在信號孔旁邊添加GND過孔。地過孔數(shù)量對差分信號的信號完整性影響是不同的。無地過孔、單地過孔以及雙地過孔可依次提高差分信號的信號完整性。

2、選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的pcb設(shè)計(jì)來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/焊盤/POWER隔離區(qū)）的過孔較好；對于一些高密度的PCB也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔，也可以嘗試盲埋孔設(shè)計(jì)。

3、過孔中心距的變化，對差分信號的信號完整性影響是不同的。對于差分信號，過孔中心距過大或過小，均會對信號完整性產(chǎn)生不利影響。

4、如果接口的工作速率≥8Gbps，那么這些接口差分對的過孔尺寸建議根據(jù)實(shí)際疊層進(jìn)行仿真優(yōu)化。

以下給出基于EVB一階HDI疊層的過孔參考尺寸：

R_Drill=0.1mm (鉆孔半徑)

R_Pad=0.2mm (過孔焊盤半徑)

D1：差分過孔中心間距

D2：表層到底層的反焊盤尺寸

D3：信號過孔與回流地過孔的中心間距

04

耦合電容優(yōu)化建議

1、耦合電容的放置，按照設(shè)計(jì)指南要求放置。如果沒有設(shè)計(jì)指南時，若信號是IC到IC，耦合電容靠近接收端放置；若信號是IC到連接器，耦合電容請靠近連接器放置。

2、盡可能選擇小的封裝尺寸，減小阻抗不連續(xù)。

3、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的差分隔直電容建議按如下方式進(jìn)行優(yōu)化：

1）根據(jù)接口選擇挖空一層或者兩層地平面，如果挖空電容焊盤正下方L2地參考層，需要隔層參考，即L3層要為地參考層；

2）如果挖空L2和L3地參考層，那么L4層要為地參考層。挖空尺寸需根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定；以下給出基于EVB一階HDI疊層的參考尺寸。

【注】D1：差分耦合電容之間的中心距；L：挖空長度；H：挖空寬度。

, P6 ~4 v5 N& j8 V  ?: ]

4、在耦合電容四周打4個地通孔以將L2~L4層的地參考層連接起來，如下圖所示。

/ ?8 m% c+ s2 |

05

ESD優(yōu)化建議

1、ESD保護(hù)器件的寄生電容必須足夠低，以允許高速信號傳輸而不會降級。

2、ESD需放置在被保護(hù)的IC之前，但盡量與連接器/觸點(diǎn)PCB側(cè)盡量靠近；放置在與信號線串聯(lián)任何電阻之前；放置在包含保險(xiǎn)絲在內(nèi)的過濾或調(diào)節(jié)器件之前。

3、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的差分對ESD器件建議按以下方式優(yōu)化。挖空ESD焊盤正下方L2和L3地參考層，L4層作為隔層參考層，需要為地平面。挖空尺寸需結(jié)合 ESD型號并根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定。

以下給出基于基于EVB一階HDI疊層的所用ESD型號為ESD73034D的參考尺寸：

8 E1 c$ e0 }' E' ~# r# \' O8 w
5 f+ [. h5 C% K" D3 a

4、同時在每個ESD四周打4個地通孔，以將L2~L4層的地參考層連接起來，如下圖所示。

06

連接器優(yōu)化建議

1、在連接器內(nèi)走線要中心出線。如果高速信號在連接器有一端信號沒有與GND相鄰PIN時，設(shè)計(jì)時應(yīng)在其旁邊加GND孔。

2、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的連接器要能符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求（如HDMI2.1/DP1.4/PCI-E3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）。推薦使用這些廠商的連接器：Molex、Amphenol、HRS等等。

3、根據(jù)接口選擇挖空一層或者兩層地平面，如果挖空連接器焊盤正下方的L2地參考層，需隔層參考，即L3層要作為地參考層；如果挖空L2和L3的地參考層，那么L4層需要為地平面，作為隔層參考層。挖空尺寸需結(jié)合連接器型號并根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定。

4、建議在連接器的每個地焊盤各打2個地通孔，且地孔要盡可能靠近焊盤。

以下給出基于EVB一階HDI疊層的挖空參考尺寸：

* m& R. ]% }; V" Z
' G  X2 z$ P) e; Q* w/ [, L% T4 q2 R

連接器推薦布線方式：

- [1 T$ h! V5 g) u9 s! H0 t- K

0 ~5 H3 @1 D. |% W! f
* R! L1 T- s  Y" _3 V- t* v

設(shè)計(jì)完P(guān)CB后，一定要做分析檢查，才能讓生產(chǎn)更順利，這里推薦一款可以一鍵智能檢測PCB布線布局最優(yōu)方案的工具：華秋DFM軟件，只需上傳PCB/Gerber文件后，點(diǎn)擊一鍵DFM分析，即可根據(jù)生產(chǎn)的工藝參數(shù)對設(shè)計(jì)的PCB板進(jìn)行可制造性分析。

華秋DFM軟件是國內(nèi)首款免費(fèi)PCB可制造性和裝配分析軟件，擁有300萬+元件庫，可輕松高效完成裝配分析。其PCB裸板的分析功能，開發(fā)了19大項(xiàng)，52細(xì)項(xiàng)檢查規(guī)則，PCBA組裝的分析功能，開發(fā)了10大項(xiàng)，234細(xì)項(xiàng)檢查規(guī)則。

基本可涵蓋所有可能發(fā)生的制造性問題，能幫助設(shè)計(jì)工程師在生產(chǎn)前檢查出可制造性問題，且能夠滿足工程師需要的多種場景，將產(chǎn)品研制的迭代次數(shù)降到最低，減少成本。

* K- s/ Z* e& o7 N4 v6 K

華秋DFM軟件下載地址（復(fù)制到電腦瀏覽器打開）：

https://dfm.elecfans.com/uploads/software/promoter/HQDFM%20V3.7.0_DFMGZH.zip

歐麥瑞恪

好東西，感謝分享。