印制电路板的可靠性设计及实例

缺少的重要组成部分， Ｐ Ｂ布局时， 在 Ｃ 就应该估计 哪些器件需要加散热器 ， 哪些器件需要预留散热空 间， 哪些器件需要安放在有利于散热的位置等。
串扰都有一定的影响。
２ ２ 电源 完整性 和地线 设计 问题 ．
电源完 整性是 指 系统运行 过程 中 电源受影 响 波动 的情 况 ， 或者 说 电 源波 形 的 质量 。理 想 情 况 下， 电源 电压是 稳定不 变 的 ， 电源平 面上 每一点 的
源 平 面 的不 连 续 等 因素 的变 化 均会 导致 此 类 反 射 。所 以 ， 布线 策略是 影响反 射 的一个重 要 因素 。
１ 引 言
随着 Ｉ ｃ设计工 艺的提高 ， 系统 时钟频率、 数 据速率也不断地提高 ， 使得印制电路板 的空间越 来越小 ， 器件密度越来越 高， 随之而来 Ｐ Ｂ的信 Ｃ
号完整 性 问题 、 号 串扰 问题 就 变得越 来越 突 出 ， 信 经常 会 造 成 整 个 电 子 设 备 工 作 异 常 。 因 此 ， 在 Ｐ Ｂ设计 过程 中采取 各种 有效 的措施 来解 决这 些 Ｃ 问题 也就越 来越重 要 。
２ Ｐ Ｂ设计 中所 涉及可 靠性 问题 Ｃ
电位都是相等的。然而， 在实际应用中， 由于各种
噪声 的影 响 ， 电源 平 面上 的 电压 呈 现 出波 动 性 。 因此 ， 到 每 个 Ｉ 加 Ｃ上 的 电源 电 压 并 不 是 完 全 一
样， 由于电源的波动效应 ， 会使器件上的 Ｉ ／ ０产生
误 操作 。电源完整性 设计 就是要 通过 控制 电源 和
功能模块划分 ， 关键信号的走向和布通率等因素。
３ １ 信 号 完整性 问题 的解决方 法 ．
Ｐ Ｂ的布局设计中混合电路的分区、 Ｃ 数字电路
接地电位则随电流的变化而变化 ， 致使 电子设备 的定时信号电平不稳 ， 抗噪声性能变坏 。
的分区和高频高速电路和敏感电路的布局可以解决
Ｐ Ｂ设计中信号完整性问题， Ｃ 下面分别进行描述。
摘
要
Ｐ Ｂ设计 中的可靠性 问题 主要 涉及信号 完整性 ， Ｃ 电源完整性 ， 地线干扰及散 热等。Ｐ Ｂ Ｃ
可靠性设计具体体现在布局布线的过程 中。主要 包括 ： 了解电路 工作条件、 频率对布局布线要 求； 电路 各功能单元 的地位、 作用； 确认电源、 时钟、 总线等关键 网络结构； 了解高速器件 、 高功率器件的布局布线 要 求。 关键词 印制电路板（ Ｃ ） 可靠性 Ｐ Ｂ 信号完整性 线， 信号经过互连线时 ， 会产生反射、 冲和下冲、 过 振铃 、 地弹和串扰等现象。同时， 还会耦合到其它 互连线上造成串扰。高速数字系统 的设计要想获 得成 功 ， 就必须认真地对待 由于反射、 冲和下 过 冲、 振铃 、 地弹和串扰带来的信号完整性问题。 １ 信号反射 ） 源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射 ， 负载端将一部分电压反射 回源端。如果负载端阻 抗小于源端阻抗 ， 反射电压为负； 反之 ， 如果负载 端阻抗大于源端阻抗， 反射电压为正。布线 的几 何形状 、 不正确的线端接、 经过连接器的传输及 电
变化， 致使电子设备的定时信号电平不稳 ， 抗噪声
性 能变坏 。 因此应 将 接 地 线尽 量 加 粗 ， 它 能 通 使
过三倍于印制 电路板 的允许 电流 。如有可能 ， 】
接地 线 的宽 度应 大于 ３ ｍｍ。
作用与其它信号 隔离。频率很高时 ， 保护线上用
多个 过孔 接地 ， 孔 之 间 的距 离应 小 于 板 上 最 高 过
感 电路之 间 的布 局应 尽 量 隔离 ， 减少 高 频 高 速 以
点接地 ， 其地线长度不应超过波长 的 １２ ， ／ ０ 否 ②将数字电路与模拟电路分开 电路板上既有高速逻辑电路， 又有线性电路 ，
则 应采用 多点 接地法 。
应使它们尽量分开 ， 而两者的地线不要相混 ， 分别 与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地
３ Ｐ Ｂ 的可 靠性 设 计 Ｃ
Ｐ Ｂ的可靠性设计具体体现在布局和布线的 Ｃ 过程中。布局前 ， 应仔细地审读原理图， 大致 了解 电路的工作条件 ， 如模拟电路的工作频率、 数字电 路的工作速度等与布局布线要求相关的要 素； 理
解 电路 的大致 功能 、 系 统 中 的地 位 和作 用 等 相 在 关 问题 ； 原 理 图设计 人 员 密切 交 流 ， 认 Ｐ Ｂ 与 确 Ｃ
第３ Ｏ卷第 ２期 ２１ ０ ２年 ６月
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印 制 电 路 板 的 可 靠 性 设 计 及 实 例
王 丽 白 涛
（ 北方 通用 电子 集 团有 限公 司微 电子部对阻抗 ， 设计关 心的频率范围 都在一个最大允许的范 围内， 以保征整个 电源平
面 内电源 电压 的波动在 可控制 的范 围 内。 在 电子设备 中 ， 接地 是控 制干扰 的重要方法 ，
的关键网络 ， 如电源 、 时钟、 高速总线等 ， 了解其布 线要求 ； 理解 Ｐ Ｂ的高速器件及其布线要 求 ； Ｃ 了
信号完整性是指信号线上的信号质量。信号
完 整性 差不 是 因某 单 一 因素 导 致 的 ， 是 由 Ｐ Ｂ 而 Ｃ
设计中的多种 因素共同引起的。主要的信号完整
性问题包括反射 、 过冲和下冲、 振铃、 地弹和串扰
等。
随着数字 电路工作速度的提 高， 信号 的边缘 越来越陡峭 ， 目前大多数正在设计 的数字系统 的 信号边缘都已达到 ｐ 级 ； ｓ 从频域来看 ， 这种信号
几十 Ｇ ｚ Ｈ 。在数字 系统 中 ， 由连线 、 板层 、 封装 、 连
接器和过孔等组成的互连线 ， 并不是理想的传输
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２ ３ 散热 问题 ．
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过 量 电感 以及 阻抗 失配 等 因素引起 的。振 铃可 以
通过适当的端接或改变 Ｐ Ｂ Ｃ 参数予 以抑制 ， 但是
不可 能完全 消 除。 ４ 信 号地 弹 ） 在 电路 中 有 大 的 电 流 涌 动 时 会 引 起 接 地 反
弹， 如大 量芯 片的输 出 同时开启 时 ， 有一个 较大 将
电子设备在工作期 间所消耗 的电能 ， 除了做 有用功外 ， 大部分转化成热量散发出来 。电子设 备产生的热量 ， 会使内部温度迅速上升 ， 如果不及 时将该热量散发掉 ， 设备会继续升温 ， 设备中的器
５ 信号 串扰 ） 信号振铃和信号地弹都属于信号完整性问题 中单信号线的现象 ， 串扰则是 由同一 Ｐ Ｂ上的两 Ｃ 条信号线与地平面引起的， 故也称为三线系统。 串扰是两条信号线之 问的耦合 ， 信号线之间的互 感和互容引起线上 的噪声。Ｐ Ｂ参数、 Ｃ 信号线 间
距、 驱动 端 和接 收端 的 电气 特 性 及 线端 接 方 式对
频率信号所对应波长（ 的 １２ 。但是 ， ） ／０ 不要在 地线面上开一个缝隙 ， 将时钟线埋在里面。这样 可能会减少这根时钟信号线上 的辐射 ， 但是会增 加其它走线 的辐射。
３ ２ 电源 完整性 和地 线设计 问题 的解 决方 法 ．
Ｐ Ｂ的布局 设计 中保护 器件 和保 护地 的布 局 Ｃ
解 Ｐ Ｂ的发 热 器件 及 其 布 局 要 求 。布 局 设 计 是 Ｃ Ｐ Ｂ设计 的关 键 步骤 之 一 ， Ｃ 布局 时应 考 虑 电路 的
地线设计不合理， 则可能导致 电子设备工作不稳 定状态。如数字地与模拟地未分开 ， 则数字信号
会对 经过 处 的模拟 电路产生 干扰 ； 若接 地线很 细 ，
Ｐ Ｂ设 计 中所 涉及 的可 靠性 问题 主要 有 ： Ｃ 信 号 完整 性 、 电源完 整性 和地线 设计 、 热等 问题 。 散
２ １ 信 号完 整性 问题 ．
２ 信号过冲和下冲 ） 过冲指 由于集成电路切换速度过快以及信号 反射所引起 的信号跳变 ， 即超过芯片 电压 的波峰 电压值 ； 下冲则是低于地平面的波谷 电压 值。虽 然大多数集 成 电路接收端有输入保护二极 管保 护， 但有时这些过 冲电平会远远超过器件 电源电
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当数字电路信号流过模 拟电路 区域时 ， 会对
模 拟 电路 产 生干扰 。通 常的做 法是 数字 电路 和模
得很大 ， 此时应尽量降低地线阻抗 ， 应采用就近多
点接地。当工作频率在 １ Ｏ ｚ 如果采 用 —１ＭＨ 时，
一
拟电路分区布置 ， 数字部分和模拟部分单点接地。 布局时应该将数字电路 和模拟电路分开 ， 各部分 内器件的排列尽量紧凑 ， 预留出足够的隔离空间。 数字 电路必要时应该根据速率高速 、 中速 、 低 速分区。以减少高速 电路对其它部分 的干扰。 高频高速电路和敏感电路 内部的布局应尽量 紧凑， 最小化敏感信号 回路。高频高速 电路和敏
压范围而损坏器件。信号反射和信号过冲可以通
过增加适 当的端接予以减少或消除。 ３ 信号振铃 ） 信号 的振铃 由线 上过度的电感和电容引起 。 信号完整性问题通常发生在周期 信号 中， 如时钟 等 。过长的走线 、 未被终结的传输线、 量电容 、 过
有着丰富的高频分量 ， 其频谱范围甚至可 以达到
件 就 会 因过 热 失 效 ， 电子 设 备 的 可 靠 性 下 降 。 使 特 别是 Ｓ ＭＴ电子设 备 的安 装 密度 大 ， 效 散 热 面 有
的瞬态 电流在 芯 片 与 电源平 面 流过 ， 片 封装 与 芯 电源平 面 的电感 和 电阻 会 引发 电源 噪声 ， 样会 这
积小， 设备温升严重地影响设备的可靠性。 温度的增加对电路工作稳定性和可靠性 的主 要危害表现在 ： 电了元器件在一定温度范围的交
作性能 的改变 ； 组件 的温 度值过高 ， 造成 Ｐ Ｂ 将 Ｃ
的电性 能 和机械 性能恶 化 ， 严重 时 引起 Ｐ Ｂ发 黑 Ｃ
甚至烧穿 ； 温度的升 高使 Ｐ Ｂ的吸湿 、 Ｃ 吸尘能力 加强， 电化学反应的速度加快 ，Ｃ Ｐ Ｂ防腐蚀 、 抗静
电能力降 低等 。 因此 ，Ｃ Ｐ Ｂ的热设 计是系统可靠性设计 中不可
和去耦 电容 的配置可 以解决 Ｐ Ｂ设计 中信号完 Ｃ 整性问题电源完整性和地线设计问题 ， 下面分别
④将接地线构成闭环路 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线 系统时， 将接地线做成闭环路可 以明显的提高抗 噪声能力。其原 因在于 ： 印制电路板上有很多集
成 电路 元件 ， 尤其 遇有耗 电多的元件 时 ， 因受接 地 线 粗 细的 限制 ， 会在 地 结上产 生较 大的 电位差 ， 引 起 抗 噪声 能 力下 降 ， 若将 接地 结构成 环路 ， 则会缩
变达 到一定 的热 应 力循 环 次 数后 ， 器 件 也 会 因 元 热疲 劳而 失效 ； 温度 的变 化会 引 起 电子 器 件 的工
在真正的地上产生电压 的波动和变化 ， 这个噪声
会影 响其它 元 器件 的动 作 。负 载 电容 的增 大 、 负 载 电阻的减 小 、 电感 的增大 、 地 开关 器件数 目的增 加均 会导致 地 弹的增 大。
面积。
③尽量加粗接地线
若接 地线很 细 ， 地 电位则 随 电流 的变 化 而 接
电路对敏感电路 的干扰 。晶振 、 倍频器 、 驱动、 串 阻应尽量集 中在一起 ， 并远离 高速 Ｃ Ｕ 高速信 Ｐ、
号 、／ Ｉ０电路 、 关 的敏 感 电路 和 Ｐ Ｂ边 缘 。对 敏 无 Ｃ 感 电路用保 护 线来 进 行 保 护 ， 利用 保 护 线 的屏 蔽