Công nghệ PCB - Phương pháp và kỹ năng thiết kế PCB 1

Cách chọn bảng PCB

1. Việc lựa chọn bảng PCB phải được cân bằng giữa việc đáp ứng các yêu cầu thiết kế và sản xuất hàng loạt và chi phí. Yêu cầu thiết kế bao gồm các bộ phận điện và cơ khí. Vấn đề vật liệu này thường quan trọng hơn khi thiết kế bảng mạch PCB tốc độ rất cao (tần số lớn hơn GHz). Ví dụ, vật liệu FR-4 thường được sử dụng, mất điện môi ở tần số vài GHz sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự suy giảm tín hiệu và có thể không phù hợp. Trong trường hợp điện, hãy chú ý xem liệu hằng số điện môi và tổn thất điện môi có phù hợp với tần số thiết kế hay không.

2. Làm thế nào để tránh nhiễu tần số cao?

Ý tưởng cơ bản để tránh nhiễu tần số cao là giảm thiểu nhiễu từ trường điện từ tín hiệu tần số cao, được gọi là nhiễu xuyên âm (crosstalk). Khoảng cách giữa tín hiệu tốc độ cao và tín hiệu analog có thể được tăng lên hoặc dấu vết bảo vệ/chuyển hướng mặt đất được thêm vào bên ngoài tín hiệu analog. Ngoài ra, còn phải chú ý đến sự quấy nhiễu tiếng ồn của nối đất kỹ thuật số đối với nối đất tương tự.

3. Làm thế nào để giải quyết vấn đề toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế tốc độ cao?

Tính toàn vẹn của tín hiệu về cơ bản là vấn đề khớp trở kháng. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết hợp trở kháng bao gồm cấu trúc và trở kháng đầu ra của nguồn tín hiệu, trở kháng đặc trưng của dấu vết, đặc điểm của đầu tải và cấu trúc liên kết của dấu vết. Giải pháp là chấm dứt (kết thúc) và điều chỉnh cấu trúc liên kết của dây.

4. Phương pháp nối dây khác biệt được thực hiện như thế nào?

Có hai điểm cần lưu ý trong bố cục của cặp chênh lệch. Một là chiều dài của hai dây nên càng dài càng tốt và một là khoảng cách giữa hai dây (khoảng cách này được xác định bởi trở kháng chênh lệch) phải không đổi, tức là giữ song song. Có hai cách song song, một là hai dây chạy cạnh nhau trên cùng một lớp và hai là hai dây chạy trên hai lớp liền kề trên và dưới (lên và xuống). Nói chung, cái trước có nhiều triển khai song song hơn.

5. Đối với đường tín hiệu đồng hồ chỉ có một đầu ra, làm thế nào để đạt được đường phân phối khác biệt?

Để sử dụng các đường phân phối khác biệt, điều hợp lý là cả nguồn tín hiệu và đầu nhận đều là tín hiệu khác biệt. Do đó, đối với tín hiệu đồng hồ chỉ có một đầu ra, không thể sử dụng đường phân phối khác biệt.

6. Có thể thêm điện trở phù hợp giữa các cặp khác biệt ở cuối nhận không?

Điện trở phù hợp giữa các cặp chênh lệch ở đầu nhận thường được cộng lại và giá trị của chúng phải bằng với giá trị của trở kháng chênh lệch. Như vậy chất lượng tín hiệu sẽ tốt hơn.

7. Tại sao dây của cặp vi sai nên gần nhất và song song?

Phương pháp nối dây cho các cặp chênh lệch phải được tiếp cận và song song một cách thích hợp. Cái gọi là khoảng cách thích hợp là bởi vì khoảng cách ảnh hưởng đến giá trị của trở kháng vi sai, một tham số quan trọng để thiết kế các cặp vi sai. Nhu cầu song song cũng là để duy trì tính nhất quán của trở kháng chênh lệch. Nếu hai đường đột nhiên ở xa và gần, trở kháng vi sai sẽ không phù hợp, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu và độ trễ thời gian.

Cách xử lý một số xung đột lý thuyết trong hệ thống dây điện thực tế

1. Về cơ bản, nó là chính xác để phân chia và tách đất analog/kỹ thuật số. Điều quan trọng cần lưu ý là dấu vết tín hiệu không nên đi qua những nơi bị chia cắt (hào) càng nhiều càng tốt và đường dẫn dòng điện trở lại của nguồn điện và tín hiệu không nên quá lớn.

2. Bộ dao động tinh thể là mạch dao động phản hồi tích cực mô phỏng. Để có tín hiệu dao động ổn định, nó phải đáp ứng các thông số kỹ thuật vòng lặp và pha. Thông số dao động của tín hiệu analog này rất dễ bị nhiễu. Ngay cả khi các dấu vết bảo vệ mặt đất được thêm vào, có thể không thể cô lập hoàn toàn nhiễu. Nếu khoảng cách quá xa, tiếng ồn trên mặt đất cũng có thể ảnh hưởng đến các mạch dao động phản hồi tích cực. Do đó, khoảng cách giữa dao động tinh thể và chip phải càng gần càng tốt.

3. Thực sự có nhiều xung đột giữa cáp tốc độ cao và các yêu cầu EMI. Nhưng nguyên tắc cơ bản là điện trở và điện dung gia tăng của EMI hoặc hạt ferrite không dẫn đến một số tính năng điện của tín hiệu không tuân thủ các thông số kỹ thuật. Do đó, tốt nhất là sử dụng các kỹ năng sắp xếp dấu vết và xếp chồng PCB để giải quyết hoặc giảm các vấn đề EMI, chẳng hạn như tín hiệu tốc độ cao đi vào lớp bên trong. Cuối cùng, phương pháp điện dung kháng hoặc hạt sắt được sử dụng để giảm thiệt hại cho tín hiệu.

9, Làm thế nào để giải quyết mâu thuẫn giữa hệ thống dây điện nhân tạo tín hiệu tốc độ cao và hệ thống dây điện tự động?

Ngày nay, hầu hết các bộ định tuyến tự động của phần mềm cáp mạnh đều có các ràng buộc để kiểm soát phương pháp quấn và số lượng lỗ. Khả năng động cơ quanh co và các mục thiết lập hạn chế của các công ty EDA khác nhau đôi khi rất khác nhau. Ví dụ, liệu có đủ ràng buộc để kiểm soát cách cuộn dây rắn, liệu có thể kiểm soát khoảng cách dấu vết của các cặp khác biệt, v.v. Điều này sẽ ảnh hưởng đến việc liệu phương pháp định tuyến tự động có phù hợp với ý tưởng của nhà thiết kế hay không. Ngoài ra, độ khó của việc điều chỉnh dây điện bằng tay cũng hoàn toàn liên quan đến khả năng của máy cuộn dây. Ví dụ như khả năng đẩy của dấu vết, khả năng đẩy qua lỗ hoặc thậm chí là khả năng đẩy của dấu vết lên lớp phủ đồng, v.v. Vì vậy, chọn một bộ định tuyến có khả năng động cơ cuộn dây mạnh mẽ là giải pháp.

10. Về mẫu thử.

Các tấm thử nghiệm được sử dụng để đo bằng TDR (Time Domain Reflection Meter) liệu trở kháng đặc trưng của bảng PCB được sản xuất có phù hợp với các yêu cầu thiết kế hay không. Nói chung, có hai điều kiện để kiểm soát trở kháng: cặp đơn và cặp vi sai. Do đó, chiều rộng đường và khoảng cách đường trên mẫu thử (khi có cặp chênh lệch) phải giống như đường được kiểm soát. Điều quan trọng nhất là vị trí của các điểm tiếp xúc trong quá trình khảo sát. Để giảm độ tự cảm của dây nối đất, vị trí nối đất của đầu dò TDR thường rất gần đầu dò. Do đó, khoảng cách và phương pháp giữa điểm đo tín hiệu và điểm tiếp xúc trên mẫu thử phải phù hợp với đầu dò được sử dụng.

11. Trong thiết kế PCB tốc độ cao, khu vực trống của lớp tín hiệu có thể được phủ đồng, làm thế nào để lớp phủ đồng của nhiều lớp tín hiệu nên được phân phối trên mặt đất và nguồn điện?

Nói chung, mạ đồng trong khu vực trống chủ yếu được nối đất. Khi áp dụng đồng bên cạnh đường tín hiệu tốc độ cao, chỉ cần chú ý đến khoảng cách giữa đồng và đường tín hiệu, vì đồng được áp dụng làm giảm trở kháng đặc trưng của dấu vết một chút. Cũng cẩn thận để không ảnh hưởng đến trở kháng đặc trưng của các lớp khác, chẳng hạn như trong cấu trúc của các dải kép.

12. Có thể sử dụng mô hình dây vi mô để tính toán trở kháng đặc trưng của đường tín hiệu trên mặt phẳng công suất không? Có thể sử dụng mô hình ribbon để tính toán tín hiệu giữa nguồn điện và mặt phẳng nối đất không?

Có, cả mặt phẳng nguồn và mặt đất phải được coi là mặt phẳng tham chiếu khi tính toán trở kháng đặc tính. Ví dụ, một tấm bốn lớp: lớp năng lượng trên cùng nối với lớp dưới cùng của lớp. Tại thời điểm này, mô hình trở kháng đặc trưng ở tầng trên cùng là mô hình dây vi mô với mặt phẳng công suất làm mặt phẳng tham chiếu.

13. Trong điều kiện bình thường, phần mềm trên bảng in mật độ cao có thể tự động tạo điểm kiểm tra để đáp ứng yêu cầu kiểm tra sản xuất hàng loạt không?

Thông thường, việc phần mềm có tự động tạo điểm kiểm tra để đáp ứng các yêu cầu kiểm tra hay không phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật để thêm điểm kiểm tra có đáp ứng các yêu cầu của thiết bị kiểm tra hay không. Ngoài ra, nếu hệ thống dây điện quá dày đặc và đặc điểm kỹ thuật để thêm điểm kiểm tra là nghiêm ngặt, bạn có thể không tự động thêm điểm kiểm tra vào mỗi đoạn thẳng. Tất nhiên, bạn sẽ cần phải điền thủ công vào vị trí bạn muốn kiểm tra.

14. Tăng điểm kiểm tra có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu tốc độ cao không?

Nó có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu hay không phụ thuộc vào phương pháp thêm điểm kiểm tra và tốc độ của tín hiệu. Về cơ bản, có thể thêm các điểm kiểm tra bổ sung trên đường dây (không sử dụng chân vượt lỗ hoặc DIP hiện có làm điểm kiểm tra) hoặc kéo một đường ngắn ra khỏi đường dây. Cái trước tương đương với việc thêm một tụ điện nhỏ vào đường dây, trong khi cái sau là một nhánh bổ sung. Cả hai điều kiện ít nhiều có thể ảnh hưởng đến tín hiệu tốc độ cao, với mức độ ảnh hưởng liên quan đến tốc độ tần số của tín hiệu và tốc độ cạnh của tín hiệu. Kích thước của tác động có thể được biết thông qua mô phỏng. Về nguyên tắc, điểm kiểm tra càng nhỏ càng tốt (tất nhiên, nó phải đáp ứng các yêu cầu của công cụ kiểm tra) và nhánh càng ngắn càng tốt.

15. Một số PCB tạo thành một hệ thống, làm thế nào để dây nối đất giữa các bảng nên được kết nối?

Khi tín hiệu hoặc nguồn điện giữa mỗi bo mạch PCB được kết nối với nhau, ví dụ, khi bo mạch A có nguồn điện hoặc tín hiệu được gửi đến bo mạch B, phải có một lượng bằng nhau của dòng điện chảy từ mặt đất trở lại bo mạch A (đây là luật dòng điện Kirchoff). Dòng điện trên mặt đất này sẽ tìm nơi có trở kháng thấp nhất để quay trở lại. Do đó, trên mỗi giao diện, cho dù đó là kết nối nguồn hoặc kết nối tín hiệu, số lượng pin được gán cho hệ thống không nên quá nhỏ để giảm trở kháng, do đó có thể giảm tiếng ồn trên hệ thống. Ngoài ra, bạn có thể phân tích toàn bộ vòng lặp hiện tại, đặc biệt là các phần lớn hơn của dòng điện và điều chỉnh kết nối của hệ thống hoặc dây nối đất để kiểm soát dòng điện (ví dụ: tạo trở kháng thấp ở đâu đó để hầu hết dòng điện chảy từ Go đó) để giảm ảnh hưởng đến các tín hiệu nhạy cảm khác.

Bạn có thể giới thiệu một số sách kỹ thuật và tài liệu nước ngoài về thiết kế PCB tốc độ cao không?

Hiện nay, các mạch kỹ thuật số tốc độ cao đang được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan như mạng truyền thông và máy tính. Khi nói đến mạng truyền thông, bảng mạch PCB đã hoạt động ở tần số GHz và theo hiểu biết của tôi, lên đến 40 lớp. Các ứng dụng liên quan đến máy tính cũng là do những tiến bộ trong chip, cho dù đó là PC đa năng hay máy chủ (máy chủ), tần số hoạt động tối đa trên bo mạch cũng đạt trên 400 MHz (như Rambus). Để đáp ứng nhu cầu về hệ thống dây điện tốc độ cao và mật độ cao, các yêu cầu về lỗ mù/quá trình chôn, vi sinh vật và quy trình khối lượng lớn dần tăng lên. Những yêu cầu thiết kế này có sẵn cho các nhà sản xuất để sản xuất hàng loạt.

Dưới đây là một số cuốn sách kỹ thuật tốt:

Howard W. Johnson, "Thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao - Sổ tay hướng dẫn sử dụng ma thuật đen";

Stephen H. Hall, "Thiết kế hệ thống kỹ thuật số tốc độ cao";

Brian Yang, "Tính toàn vẹn của tín hiệu số";

4. Douglas Brook, "Vấn đề toàn vẹn và thiết kế bảng mạch in".

Hai công thức trở kháng đặc tính thường được đề cập:

a. Vành đai nhỏ

Z={87/[sqrt (Er+1.41)]] ln [5.98H/(0.8W+T)], trong đó W là chiều rộng đường, T là độ dày đồng của dấu vết, H là khoảng cách từ dấu vết đến mặt phẳng tham chiếu và Er là hằng số điện môi của vật liệu PCB. Công thức này phải được áp dụng khi 0,1<(W/H)<2,0 và 1<(Er)<15.

b. Dây ruy băng

Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67(T+0.8W)]} trong đó H là khoảng cách giữa hai mặt phẳng tham chiếu và dấu vết nằm ở giữa hai mặt phẳng tham chiếu. Công thức này phải được áp dụng khi W/H<0,35 và T/H<0,25.

18. Có thể thêm đường đất ở giữa đường tín hiệu khác biệt không?

Thông thường không thể thêm một đường nối đất ở giữa tín hiệu khác biệt. Bởi vì điều quan trọng nhất trong nguyên tắc ứng dụng tín hiệu khác biệt là tận dụng lợi thế ghép nối giữa các tín hiệu khác biệt, chẳng hạn như loại bỏ thông lượng và chống nhiễu. Nếu bạn thêm một đường đất ở giữa, nó sẽ phá vỡ hiệu ứng khớp nối.

19. Thiết kế bảng linh hoạt cứng nhắc có yêu cầu phần mềm thiết kế đặc biệt và thông số kỹ thuật không? Ở đâu chúng ta có thể xử lý bảng mạch như vậy ở Trung Quốc?

Bạn có thể sử dụng phần mềm thiết kế PCB phổ quát để thiết kế mạch in linh hoạt (mạch in linh hoạt). Nó cũng được sản xuất bởi các nhà sản xuất FPC ở định dạng Gerber. Vì quy trình sản xuất khác với PCB thông thường, các nhà sản xuất khác nhau sẽ giới hạn chiều rộng dòng tối thiểu, khoảng cách dòng tối thiểu và quá lỗ tối thiểu tùy thuộc vào khả năng sản xuất của họ. Ngoài ra, nó có thể được gia cố bằng cách đặt một số vỏ đồng tại các bước ngoặt của bảng mạch linh hoạt. Đối với các nhà sản xuất, bạn có thể tìm thấy "FPC" trên Internet như một truy vấn từ khóa.

20. Nguyên tắc lựa chọn đúng vị trí nối giữa PCB và vỏ là gì?

Nguyên tắc lựa chọn vị trí nối PCB và nhà ở là sử dụng nối đất khung để cung cấp đường dẫn trở kháng thấp cho dòng điện trở lại và kiểm soát đường dẫn dòng điện trở lại. Ví dụ, thường là gần các thiết bị tần số cao hoặc máy phát đồng hồ, việc hình thành PCB với mặt đất khung có thể được kết nối bằng vít cố định để giảm thiểu diện tích của toàn bộ vòng lặp hiện tại và giảm bức xạ điện từ.