PCB8层板

高速PCB设计指南之二
第二篇 PCB布局

在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的步。
布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的佳布局。在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得PCB板中的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来, 同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。

--考虑整体美观
一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较才能认为该产品是成功的。
在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

--布局的检查印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符？能否符合PCB制造工艺要求？有无定位标记？
元件在二维、三维空间上有无冲突？
元件布局是否疏密有序，排列整齐？是否全部布完？
需经常更换的元件能否方便的更换？插件板插入设备是否方便？
热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离？
调整可调元件是否方便？
在需要散热的地方，装了散热器没有？空气流是否通畅？
信号流程是否顺畅且互连短？
插头、插座等与机械设计是否矛盾？
线路的干扰问题是否有所考虑？

陶瓷PCB电路板有什么优势呢？
1.为什么要选择陶瓷电路板？
陶瓷基板，由于散热性能、载流能力、绝缘性、热膨胀系数等，都要大大优于普通的玻璃纤维PCB板材，从而被广泛应用于大功率电力电子模块、航空航天、电子等产品上。
普通PCB通常是由铜箔和基板粘合而成，而基板材质大多数为玻璃纤维（FR-4），酚醛树脂（FR-3）等材质，粘合剂通常是酚醛、环氧等。在PCB加工过程中由于热应力、化学因素、生产工艺不当等原因，或者是在设计过程中由于两面铺铜不对称，很容易导致PCB板发生不同程度的翘曲。

与普通的PCB使用粘合剂把铜箔和基板粘合在一起的，陶瓷PCB是在高温环境下，通过键合的方式把铜箔和陶瓷基片拼合在一起的，结合力强，铜箔不会脱落，可靠性高，在温度高、湿度大的环境下性能稳定。

2.陶瓷基板的材质有哪些？

氮化铝（AlN）

氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低。其热导率是Al2O3的7~10倍，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配，这对于大功率半导体芯片至关重要。在生产工艺上，AlN热导率受到残留氧杂质含量的影响很大，降低含氧量，可明显提高热导率。目前工艺生产水平的热导率达到170W/(m·K)以上已不成问题。

氧化铝（Al2O3）

氧化铝是陶瓷基板中常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。按含氧化铝(Al2O3)的百分数不同可分为：75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化铝含有量不同，其电学性质几乎不受影响，但是其机械性能及热导率变化很大。纯度低的基板中玻璃相较多，表面粗糙度大。纯度越高的基板，越光洁、致密、介质损耗越低，但是价格也越高。

氧化铍（BeO）

具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，温度超过300℃后迅速降低，但是由于其毒性限制了自身的发展。

综合以上原因，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较的综合性能，在微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位的。

对比了市面上相同尺寸（100mm×100mm×1mm）、不同材料的陶瓷基板价格：96%氧化铝9.5元，99%氧化铝18元，氮化铝150元，氧化铍650元，可以看出来不同的基板价格差距也比较大。


3.陶瓷PCB的优势与劣势？

优点：
载流量大，100A电流连续通过1mm0.3mm厚铜体，温升约17℃；100A电流连续通过2mm0.3mm厚铜体，温升仅5℃左右；

更好的散热性能，低热膨胀系数，形状稳定，不易变形翘曲。

绝缘性好，耐压高，保障人身安全和设备。

结合力强，采用键合技术，铜箔不会脱落。

可靠性高，在温度高、湿度大的环境下性能稳定

缺点：
易碎，这是主要的一个缺点，这也就导致只能制作小面积的电路板。

价格贵， 电子产品的要求规则越来越多，陶瓷电路板还是用在一些比较的产品上面，低端的产品根本不会使用到。

什么是HDI线路板？
一.什么是HDI板？
HDI板（High Density Interconnector），即高密度互连板，是使用微盲埋孔技术的一种线路分布密度比较高的电路板。HDI板有内层线路和外层线路，再利用钻孔、孔内金属化等工艺，使各层线路内部实现连结。
二.HDI板与普通pcb的区别
HDI板一般采用积层法制造，积层的次数越多，板件的技术档次越高。普通的HDI板基本上是1次积层，高阶HDI采用2次或以上的积层技术，同时采用叠孔、电镀填孔、激光直接打孔等PCB技术。当PCB的密度增加超过八层板后，以HDI来制造，其成本将较传统复杂的压合制程来得低。
HDI板的电性能和讯号正确性比传统PCB更高。此外，HDI板对于射频干扰、电磁波干扰、静电释放、热传导等具有更佳的改善。高密度集成（HDI）技术可以使终端产品设计更加小型化，同时满足电子性能和效率的更高标准。
HDI板使用盲孔电镀 再进行二次压合，分一阶、二阶、三阶、四阶、五阶等。一阶的比较简单，流程和工艺都好控制。二阶的主要问题，一是对位问题，二是打孔和镀铜问题。二阶的设计有多种，一种是各阶错开位置，需要连接次邻层时通过导线在中间层连通，做法相当于2个一阶HDI。第二种是，两个一阶的孔重叠，通过叠加方式实现二阶，加工也类似两个一阶，但有很多工艺要点要特别控制，也就是上面所提的。第三种是直接从外层打孔至第3层（或N-2层），工艺与前面有很多不同，打孔的难度也更大。对于三阶的以二阶类推即是。

三.HDI板的优势
这种PCB在突显优势的基础上发展迅速：
1.HDI技术有助于降低PCB成本;
2.HDI技术增加了线密度;
3.HDI技术有利于使用的包装;
4.HDI技术具有更好的电气性能和信号有效性;
5.HDI技术具有更好的可靠性;
6.HDI技术在散热方面更好;
7.HDI技术能够改善RFI（射频干扰）/EMI（电磁干扰）/ESD（静电放电）;
8.HDI技术提高了设计效率;
四.HDI板的材料
对HDI PCB材料提出了一些新的要求，包括更好的尺寸稳定性，抗静电移动性和非胶粘剂。HDI PCB的典型材料是RCC（树脂涂层铜）。RCC有三种类型，即聚酰亚胺金属化薄膜，纯聚酰亚胺薄膜，流延聚酰亚胺薄膜。
RCC的优点包括：厚度小，重量轻，柔韧性和易燃性，兼容性特性阻抗和的尺寸稳定性。在HDI多层PCB的过程中，取代传统的粘接片和铜箔作为绝缘介质和导电层的作用，可以通过传统的抑制技术用芯片抑制RCC。然后使用非机械钻孔方法如激光，以便形成微通孔互连。
RCC推动PCB产品从SMT（表面贴装技术）到CSP的发生和发展（芯片级封装），从机械钻孔到激光钻孔，促进PCB微通孔的发展和进步，所有这些都成为RCC的HDI PCB材料。
在实际的PCB中在制造过程中，对于RCC的选择，通常有FR-4标准Tg 140C，FR-4高Tg 170C和FR-4和Rogers组合层压，现在大多使用。随着HDI技术的发展，HDI PCB材料满足更多要求，因此HDI PCB材料的主要趋势应该是：
1.使用无粘合剂的柔性材料的开发和应用;
2.介电层厚度小，偏差小;
3 .LPIC的发展;
4.介电常数越来越小;
5.介电损耗越来越小;
6.焊接稳定性高;
7.严格兼容CTE（热膨胀系数）;
五.HDI板制造的应用技术
HDI PCB制造的难点在于微观通过制造，通过金属化和细线。
1.微通孔制造
微通孔制造一直是HDI PCB制造的核心问题。主要有两种钻井方法：
a.对于普通的通孔钻孔，机械钻孔始终是其率和低成本的佳选择。随着机械加工能力的发展，其在微通孔中的应用也在不断发展。
b.有两种类型的激光钻孔：光热消融和光化学消融。前者是指在高能量吸收激光之后加热操作材料以使其熔化并且通过形成的通孔蒸发掉的过程。后者指的是紫外区高能光子和激光长度超过400nm的结果。
有三种类型的激光系统应用于柔性和刚性板，即准分子激光，紫外激光钻孔，CO 2 激光。激光技术不仅适用于钻孔，也适用于切割和成型。甚至一些制造商也通过激光制造HDI。虽然激光钻孔设备成本高，但它们具有更高的精度，稳定的工艺和成熟的技术。激光技术的优势使其成为盲/埋通孔制造中常用的方法。如今，在HDI微通孔中，99％是通过激光钻孔获得的。
2.通过金属化
通孔金属化的大困难是电镀难以达到均匀。对于微通孔的深孔电镀技术，除了使用具有高分散能力的电镀液外，还应及时升级电镀装置上的镀液，这可以通过强力机械搅拌或振动，超声波搅拌，水平喷涂。此外，在电镀前增加通孔壁的湿度。
除了工艺的改进外，HDI的通孔金属化方法也看到了主要技术的改进：化学镀添加剂技术，直接电镀技术等。
3.细线
细线的实现包括传统的图像传输和激光直接成像。传统的图像转移与普通化学蚀刻形成线条的过程相同。
对于激光直接成像，不需要摄影胶片，而图像是通过激光直接在光敏膜上形成的。紫外波灯用于操作，使液体防腐解决方案能够满足高分辨率和简单操作的要求。不需要摄影胶片，以避免因薄膜缺陷造成的不良影响，可以直接连接CAD/CAM，缩短制造周期，使其适用于和多种生产。

高精密度(HDI板)电路板的耐热性介绍

HDI板的耐热性能是HDI可靠性能中重要的一个项目，HDI板的板厚变得越来越薄，对其耐热性能的要求也越来越高。无铅化进程的推进，也提高了HDI板耐热性能的要求，而且由于HDI板在层结构等方面不同于普通多层通孔PCB板，因此HDI板的耐热性能与普通多层通孔PCB板相比有所不同，一阶HDI板典型结构。HDI板的耐热性能缺陷主要是爆板和分层。到目前为止，根据多种材料以及多款HDI板的耐热性能测试的经验，发现HDI板发生爆板机率大的区域是密集埋孔的上方以及大铜面的下方区域。

耐热性是指PCB抵抗在焊接过程中产生的热机械应力的能力， PCB在耐热性能测试中发生分层的机制一般包括以下几种：

1) 测试样品内部不同材料在温度变化时，膨胀和收缩性能不同而在样品内部产生内部热机械应力，从而导致裂缝和分层的产生。

2) 测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)，是热机械应力集中所在，起到应力的放大器的作用。在样品内部应力的作用下，更加容易导致裂缝或分层的产生。

3) 测试样品中挥发性物质(包括有机挥发成分和水)，在高温和剧烈温度变化时，急剧膨胀产生的内部蒸汽压力，当膨胀的蒸汽压力到达测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)时，微小缺陷对应的放大器作用就会导致分层。

HDI板容易在密集埋孔的上方发生分层，这是由于HDI板在埋孔分布区域特殊的结构所导致的。有无埋孔区域的应力分析如下表1。无埋孔区域(结构1)在耐热性能测试受热膨胀时，在同一平面上各个位置的Z方向的膨胀量都是均匀的，因此不会存在由于结构的差异造成的应力集中区域。当区域中设计有埋孔且埋孔钻在基材面上(结构2)时，在埋孔与埋孔之间的A-A截面上，由于基材没有收到埋孔在Z方向的约束，因而膨胀量较大，而在埋孔和焊盘所在的B-B截面上，由于基材受到埋孔在Z方向的约束，因而膨胀量较小，这三处膨胀量的差异，在埋孔焊盘与HDI介质和塞孔树脂交界处和附近区域造成应力集中，从而比较容易形成裂缝和分层。

HDI板容易在外层大铜面的下方发生分层，这是由于在贴装和焊接时，PCB受热，挥发性物质(包括有机挥发成分和水)急剧膨胀，外层大铜面阻挡了挥发性物质(包括有机挥发成分和水)的及时逸出，因此产生的内部蒸汽压力，当膨胀的蒸汽压力到达测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)时，微小缺陷对应的放大器作用就会导致分层。

如何评估汽车HDI PCB制造商

电子行业的蓬勃发展推动了众多行业的快速发展。近年来，电子产品在汽车工业中的应用日益广泛。传统的汽车工业在机械，动力，液压和传动方面进行了更多的努力。但是，现代汽车工业更多地依赖电子应用，而这些电子应用在汽车中发挥着越来越重要和潜在的作用。自动电气化全部用于处理，感测，信息传输和记录，而没有印制电路板（PCB）则无法实现。由于汽车现代化和数字化的要求，以及人类对汽车安全性，舒适性，简单操作和数字化的要求，PCB已广泛应用于汽车行业，高密度互连（HDI）PCB，可能带有跨层盲孔或双层结构。
为了实现汽车HDI PCB的高可靠性和安全性，HDI PCB制造商遵循严格的策略和措施，这是本文关注的。
汽车PCB类型
在汽车电路板中，可以使用传统的单层PCB，双层PCB和多层PCB，而近年来HDI PCB的广泛应用已成为汽车电子产品的。普通HDI PCB与汽车HDI PCB之间确实存在本质区别：前者强调实用性和多功能性，为消费电子产品提供服务，而后者则致力于可靠性，安全性和。
有必要说明一下，因为汽车涵盖了汽车，卡车或卡车等各种各样的汽车，要求对不同的性能期望和功能有不同的要求，所以本文将要讨论的法规和措施只是一些通用规则，不包括那些规则。特别案例。
汽车HDI PCB的分类和应用
HDI PCB可以分为单层HDI PCB，双层积层PCB和三层积层PCB.在此，层是指预浸料的层。
汽车电子产品通常在两类应用：
a.在与车辆的机械系统（例如发动机，底盘和车辆数字控制）配合使用之前，汽车电子控制设备将无法有效运行，特别是电子燃油喷射系统，防抱死制动系统（ABS），防滑控制（ASC） ，牵引力控制，电子控制悬架（ECS），电子自动变速器（EAT）和电子助力转向（EPS）。

b.可以在汽车环境中立使用且与汽车性能无关的车载汽车设备包括汽车信息系统或车辆计算机，GPS系统，汽车视频系统，车载通信系统和Internet设备功能，这些功能由HDI PCB支持的设备实现，这些设备负责信号传输和大量控制。

对汽车HDI PCB制造商的要求
由于高可靠性和汽车HDI印制电路板的安全性，汽车HDI PCB制造商符合高层次要求：
a.汽车HDI PCB制造商坚持在判断或支持PCB制造商的管理水平中起关键作用的集成管理系统和质量管理体系。某些系统在被第三方身份验证之前无法归PCB制造商所有。例如，汽车PCB制造商通过ISO9001和ISO / IATF16949认证。

b.HDI PCB制造商具备扎实的技术和较高的HDI制造能力。具体而言，从事汽车电路板制造的制造商制造线宽/间距至少为75μm/75μm且具有两层结构的电路板。公认的是，HDI PCB制造商具有至少1.33的工艺能力指数（CPK）和至少1.67的设备制造能力（CMK）。除非获得客户的认可和确认，否则不得在以后的制造中进行任何修改。

c.汽车HDI PCB制造商在选择PCB原材料时遵循严格的规则，因为它们在确定终PCB的可靠性和性能中起着关键作用。
汽车HDI PCB的材料要求
•核心板和半固化片。它们是制造汽车HDI PCB的基本，关键的元素。当涉及HDI PCB的原材料时，核心板和预浸料是主要考虑因素。通常，HDI核心板和介电层都相对较薄。因此，一层预浸料足以在消费类HDI板上使用。但是，汽车HDI PCB依赖于至少两层预浸料的层压，因为如果发生空腔或粘合剂不足，则单层的预浸料可能会导致绝缘电阻降低。之后，终结果可能是整个板子或产品的故障。
•阻焊膜。作为直接覆盖在表面电路板上的保护层，阻焊层也起着与核心板和预浸料相同的重要作用。除保护外部电路外，阻焊层在产品的外观，质量和可靠性方面也起着至关重要的作用。因此，汽车电路板上的阻焊层符合严格的要求。阻焊膜通过多项有关可靠性的测试，包括储热测试和剥离强度测试。
汽车HDI PCB材料的可靠性测试
合格的HDI PCB制造商绝不会认为材料选择是理所当然的。相反，他们对电路板的可靠性进行一些测试。有关汽车HDI PCB材料可靠性的主要测试包括CAF（导电阳极丝）测试，高温和低温热冲击测试，天气温度循环测试和储热测试。
•CAF测试。它用于测量两个导体之间的绝缘电阻。该测试涵盖许多测试值，例如层之间的小绝缘电阻，通孔之间的小绝缘电阻，埋孔之间的小绝缘电阻，盲孔之间的小绝缘电阻以及并联电路之间的小绝缘电阻。
•高温和低温热冲击测试。此测试旨在测试小于一定百分比的电阻变化率。具体而言，该测试中提到的参数包括通孔之间的电阻变化率，埋孔之间的电阻变化率和盲孔之间的电阻变化率。
•气候温度循环测试。被测板需要在回流焊接之前进行预处理。在-40℃±3℃至140℃±2℃的温度范围内，电路板在低温度和高温度下保持15分钟。结果，合格的电路板不会发生层压，白点或爆炸。

•高温存储测试。该测试主要针对阻焊层的可靠性，特别是其剥离强度。就阻焊层的判断而言，该测试被认为是严格的。

根据以上介绍的测试要求，如果基材或原材料不能满足客户要求，则可能会发生潜在的风险。因此，是否对材料进行测试可能是确定合格的HDI PCB制造商的关键因素。
可以使用许多策略和措施来判断汽车HDI PCB制造商，包括材料供应商认证，过程中的技术条件以及参数确定和附件的应用等。为寻找可靠的HDI PCB制造商，它们可能是重要的组成部分。确定和判断其可靠性作为参考。

超实用的高频PCB电路设计70问答 之二
21.在电路板尺寸固定的情况下，如果设计中需要容纳更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走线密度，但是这样有可能导致走线的相互干扰增强，同时走线过细也使阻抗无法降低，请介绍在高速（>100MHz）高密度 PCB 设计中的技巧?

在设计高速高密度 PCB 时，串扰(crosstalk interference)确实是要特别注意的，因为它对时序(timing)与信号完整性(signal integrity)有很大的影响。以下提供几个注意的地方：

控制走线特性阻抗的连续与匹配。

走线间距的大小。一般常看到的间距为两倍线宽。可以透过仿真来知道走线间距对时序及信号完整性的影响，找出可容忍的小间距。不同芯片信号的结果可能不同。

选择适当的端接方式。

避免上下相邻两层的走线方向相同，甚至有走线正好上下重叠在一起，因为这种串扰比同层相邻走线的情形还大。



利用盲埋孔(blind/buried via)来增加走线面积。但是 PCB 板的制作成本会增加。在实际执行时确实很难达到完全平行与等长，不过还是要尽量做到。

除此以外，可以预留差分端接和共模端接，以缓和对时序与信号完整性的影响。

22.电路板 DEBUG 应从那几个方面着手？

就数字电路而言，先依序确定三件事情： 1. 确认所有电源值的大小均达到设计所需。有些多重电源的系统可能会要求某些电源之间起来的顺序与快慢有某种规范。 2. 确认所有时钟信号频率都工作正常且信号边缘上没有非单调(non-monotonic)的问题。3. 确认 reset 信号是否达到规范要求。 这些都正常的话，芯片应该要发出个周期(cycle)的信号。接下来依照系统运作原理与 bus protocol 来 debug。

23、滤波时选用电感，电容值的方法是什么？

电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外，还要考虑瞬时电流的反应能力。如 果 LC 的输出端会有机会需要瞬间输出大电流，则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度，增加纹波噪声(ripple noise)。电容值则和所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容的ESR/ESL 也会有影响。另外，如果这 LC 是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时，还要注意此 LC 所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈控制(negative feedback control)回路稳定度的影响。

24、模拟电源处的滤波经常是用 LC 电路。但是为什么有时 LC 比 RC 滤波效果差？

LC与 RC滤波效果的比较考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是否恰当。因为电感的感抗(reactance)大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声频率较低，而电感值又不够大，这时滤波效果可能不如 RC。但是，使用 RC 滤波要付出的代价是电阻本身会耗能，效率较差，且要注意所选电阻能承受的功率。

25、如何尽可能的达到 EMC 要求，又不致造成太大的成本压力？

PCB 板上会因 EMC 而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了 ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外，通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过 EMC的要求。以下仅就 PCB 板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。

尽可能选用信号斜率(slew rate)较慢的器件，以降低信号所产生的高频成分。

注意高频器件摆放的位置，不要太靠近对外的连接器。

注意高速信号的阻抗匹配，走线层及其回流电流路径(return current path)， 以减少高频的反射与辐射。


在各器件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需。



对外的连接器附近的地可与地层做适当分割，并将连接器的地就近接到 chassis ground。

可适当运用 ground guard/shunt traces 在一些特别高速的信号旁。但要注意 guard/shunt traces 对走线特性阻抗的影响。

电源层比地层内缩 20H，H 为电源层与地层之间的距离。