PCB科技 - 高速高密度PCB設計的關鍵技術與進展

高速高密度已逐漸成為許多現代電子產品的重要發展趨勢之一，高速高密度印刷電路板設計科技已成為一個重要的研究領域。

與傳統相比 印刷電路板設計, 高速高密度 印刷電路板設計 有幾個關鍵技術問題, 需要開發新的設計科技. 有許多理論和科技問題需要深入研究. 同時, 對高速和高密度的要求 印刷電路板 越來越高, 這使得高速和高密度 印刷電路板設計 繼續面臨新問題； 大量相關研究成果的不斷湧現，推動了高速高密度的不斷發展 印刷電路板設計 科技. 本文介紹了高速高密度的關鍵技術問題 印刷電路板設計 (signal integrity, 電源完整性, EMC/EM I和熱分析) and new developments in related EDA technology, 並討論了高速高密度的幾個重要發展趨勢 印刷電路板設計.

關鍵技術問題

高速高密度印刷電路板設計的關鍵技術問題主要包括信號完整性、功率完整性、電磁相容性和熱分析。

信號完整性

信號完整性主要指在訊號線上傳輸的訊號的質量。 1當電路訊號能够以所需的定時、持續時間和電壓幅度到達接收晶片的引脚時，電路具有良好的信號完整性。 當訊號不能正常響應或訊號質量不能使系統長期穩定工作時，就會出現信號完整性問題。 信號完整性問題主要表現為：延遲、反射、超調、振鈴、串擾、定時、同步開關雜訊、電磁干擾等。

信號完整性問題將直接導致訊號失真、定時錯誤以及不正確的數據、地址和控制訊號，導致系統錯誤甚至癱瘓。 通常，對於數位晶片，高於V IH的電平為邏輯1，低於V IL的電平為邏輯0，VIL和VIH之間的電平為不確定狀態。 對於具有振鈴的數位信號，當振盪電平進入VIL～VIH的不確定區域時，可能會導致邏輯錯誤。 數位信號的傳輸必須具有正確的定時。 通用數位晶片要求在設定時鐘觸發邊緣之前，數據必須穩定，以確保邏輯序列正確。 如果訊號傳輸延遲時間過長，則可能無法在時鐘的上升沿或下降沿接收到正確的邏輯，從而導致計時錯誤。

信號完整性問題的原因更為複雜. 部件參數, 印刷電路板 參數, 組件在 印刷電路板, 高速訊號的佈線都是影響信號完整性的重要因素. 信號完整性是一個系統性問題, 信號完整性問題的研究和解决必須使用系統的觀點.

相對而言，人們對信號完整性問題進行了幾十年的研究，取得了許多重要的理論和技術成果，積累了豐富的經驗。 許多信號完整性科技相對成熟，並已得到廣泛應用。

電源完整性

電源完整性主要是指高速系統中，配電系統（Power distribution system，PDS）在不同的頻率下，阻抗特性不同，囙此印刷電路板上的電源層和接地層之間的電壓在電路板上到處都不相同，導致電源不連續，導致電源雜訊， 這使得晶片無法正常工作。 同時，由於高頻輻射，電源完整性問題也會帶來EMC/EM I問題。 在高速、低壓電路中，電源雜訊尤其嚴重。

功率完整性的提出源於基於佈線和設備模型的信號完整性分析帶來的巨大誤差，而沒有考慮功率的影響。

相對來說, 關於電源完整性的研究起步較晚, 理論研究和科技手段還不够成熟. 這是高速和高密度的最大挑戰之一 印刷電路板設計. 現時, 主要採取一些常用措施，以在一定程度上减少電源完整性問題造成的不利影響. 採取的主要措施是優化 印刷電路板 堆棧, 佈局和佈線設計； 二是適當新增去耦電容. 當系統頻率低於300-400 MHz時, 通過在適當的位置設定適當的電容器，有助於减少功率完整性問題的影響. 然而, 當系統頻率較高時, 去耦電容器幾乎沒有影響. 在這種情況下, 只有通過優化 印刷電路板設計 减少電源完整性問題的影響.

EMC

EMC（電磁相容性）通常定義為：“設備或系統在其電磁環境中正常工作的能力，並且不會對環境中的任何東西構成無法承受的電磁干擾。 它也被定義為：“研究是有限的。 在有限的空間、有限的時間和有限的頻譜資源的條件下，各種電氣設備（廣義上的子系統、系統和生物實體）可以共存而不會造成退化。”

電磁相容主要研究電磁干擾和電磁敏感性兩個方面。 電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳輸到敏感系統，從而產生電磁干擾。 它包括3種基本形式：導線和公共接地傳導、空間輻射或近場耦合。

電子產品的電磁相容性非常重要。 現時，許多國家和地區都有嚴格完整的電磁相容標準。 越來越多的電子產品必須通過相關的EMC測試和認證才能進入市場。 此外，隨著電磁環境的惡化，對電子產品的EMC要求將越來越高。

相對而言，EMC問題是最複雜的。 當上升（下降）時間（上升時間或下降時間）從5納秒减少到2.5 ns時，EM I將新增約4倍。 EM I的頻譜寬度與上升時間成反比。 EM I的輻射强度與頻率的平方成正比。 這種類型的電磁輻射的頻率範圍約為數十MHz至數GHz。 與這些高頻對應的波長非常短，印刷電路板上的短連接線甚至晶片中的互連線可能成為有效的發射或接收天線，這可能會導致嚴重的EMC問題。 Henry Ott Consulting總裁亨利·W·奧特在其在東部印刷電路板設計會議上的主題演講中強調：“在高速設計時代，如果印刷電路板設計師不更多地瞭解EMC問題，他們將面臨問題。許多意想不到的問題。”“因為設計速度更快，無線設計越來越普遍，EMC將成為一個更大的挑戰。”

Due to the complexity of EMC and the increasing requirements of modern electronic products for EMC, EMC科技 將是一個需要長期研究的重要領域. 現時, 預防和解决EMC問題主要遵循以下幾點 印刷電路板設計 約束規則. 然而, 必須詳細分析這些規則的具體使用及其影響, 這在很大程度上取決於設計師的理論水准和實踐經驗.