PCB互连设计过程中最大程度降低RF效应的基本方法

PCB互连设计过程中最大程度降低RF效应的基本方法

      电路板系统的互连包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器件之间的三类互连。在RF设计中，互连点处的电磁特性是工程设计面临的主要问题之一，本文介绍上述三类互连设计的各种技巧，内容涉及器件安装方法、布线的隔离以及减少引线电感的措施等等。

   目前有迹象表明，印刷电路板设计的频率越来越高。随着数据速率的不断增长，数据传送所要求的带宽也促使信号频率上限达到1GHz，甚至更高。这种高频信号技术虽然远远超出毫米波技术范围(30GHz)，但的确也涉及RF和低端微波技术。
    RF工程设计方法必须能够处理在较高频段处通常会产生的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰(干扰及总噪声)，并且会损害系统性能。回损主要是由阻抗失配造成，对信号产生的影响如加性噪声和干扰产生的影响一样。
    高回损有两种负面效应：1. 信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收机更加难以将噪声和信号区分开来；2. 任何反射信号基本上都会使信号质量降低，因为输入信号的形状出现了变化。
     尽管由于数字系统只处理1和0信号并具有非常好的容错性，但是高速脉冲上升时产生的谐波会导致频率越高信号越弱。尽管前向纠错技术可以消除一些负面效应，但是系统的部分带宽用于传输冗余数据，从而导致系统性能的降低。一个较好的解决方案是让RF效应有助于而非有损于信号的完整性。建议数字系统最高频率处(通常是较差数据点)的回损总值为-25dB，相当于VSWR为1.1。
     PCB设计的目标是更小、更快和成本更低。对于RF PCB而言，高速信号有时会限制PCB设计的小型化。目前，解决串扰问题的主要方法是进行接地层管理，在布线之间进行间隔和降低引线电感(stud capacitance)。降低回损的主要方法是进行阻抗匹配。此方法包括对绝缘材料的有效管理以及对有源信号线和地线进行隔离，尤其在状态发生跳变的信号线和地之间更要进行间隔。
     由于互连点是电路链上最为薄弱的环节，在RF设计中，互连点处的电磁性质是工程设计面临的主要问题，要考察每个互连点并解决存在的问题。电路板系统的互连包括芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部装置之间信号输入/输出等三类互连。

一、芯片到PCB板间的互连
     Pentium IV以及包含大量输入/输出互连点的高速芯片已经面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且处理速率已经能够达到1GHz。在最近GHz互连研讨会(www.az.ww .com)上，最令人激动之处在于：处理I/O数量和频率不断增长问题的方法已经广为人知。芯片与PCB互连的最主要问题是互连密度太高会导致PCB材料的基本结构成为限制互连密度增长的因素。会议上提出了一个创新的解决方案，即采用芯片内部的本地无线发射器将数据传送到邻近的电路板上。
     无论此方案是否有效，与会人员都非常清楚：就高频应用而言，IC设计技术已远远领先于PCB设计技术。

二、PCB板内互连
  进行高频PCB设计的技巧和方法如下：
1. 传输线拐角要采用45°角，以降低回损(图1)；
2. 要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效管理。
3. 要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范。要考虑规定线宽总误差为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切(undercut)和横断面进行管理并指定布线侧壁电镀条件。对布线(导线)几何形状和涂层表面进行总体管理，对解决与微波频率相关的趋肤效应问题及实现这些规范相当重要。
4. 突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高频环境下，最好使用表面安装组件。
5. 对信号过孔而言，要避免在敏感板上使用过孔加工(pth)工艺，因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。如一个20层板上的一个过孔用于连接1至3层时，引线电感可影响4到19层。
6. 要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止3维电磁场对电路板的影响。
7. 要选择非电解镀镍或浸镀金工艺，不要采用HASL法进行电镀。这种电镀表面能为高频电流提供更好的趋肤效应(图2)。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于减少环境污染。
8. 阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是，由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性，整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝(solder dam)来作阻焊层。
    如果你不熟悉这些方法，可向曾从事过军用微波电路板设计的经验丰富的设计工程师咨询。你还可同他们讨论一下你所能承受的价格范围。例如，采用背面覆铜共面(copper-backed coplanar)微带设计比带状线设计更为经济，你可就此同他们进行讨论以便得到更好的建议。优秀的工程师可能不习惯考虑成本问题，但是其建议也是相当有帮助的。现在要尽量对那些不熟悉RF效应、缺乏处理RF效应经验的年轻工程师进行培养，这将会是一项长期工作。
    此外，还可以采用其他解决方案，如改进计算机型，使之具备RF效应处理能力。

三、PCB与外部装置互连
     现在可以认为我们解决了板上以及各个分立组件互连上的所有信号管理问题。那么怎么解决从电路板到连接远端器件导线的信号输入/输出问题呢？同轴电缆技术的创新者Trompeter Electronics公司正致力于解决这个问题，并已经取得一些重要进展(图3)。 另外，看一下图4中给出的电磁场。这种情况下，我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中，地线层是环形交织的，并且间隔均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边缘效应，需在设计时了解、预测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。
     电路板内阻抗问题的管理并不是一个可以忽略的设计问题。阻抗从电路板表层开始，然后通过一个焊点到接头，最后终结于同轴电缆处。由于阻抗随频率变化，频率越高，阻抗管理越难。在宽带上采用更高频率来传输信号的问题看来是设计中面临的主要问题。

本文总结
    PCB平台技术需要不断改进以达到集成电路设计人员的要求。PCB设计中高频信号的管理以及PCB电路板上信号输入/输出的管理都需要不断的改进。无论以后会发生什么令人激动的创新，我都认为带宽将会越来越高，而采用高频信号技术就是实现这种带宽不断增长的前提。