【華秋干貨鋪】PCB布線技巧升級：高速信號篇

如下表所示，接口信號能工作在8Gbps及以上速率，由于速率很高，PCB布線設(shè)計(jì)要求會(huì)更嚴(yán)格，在前幾篇關(guān)于PCB布線內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)本篇內(nèi)容的要求來進(jìn)行PCB布線設(shè)計(jì)。

高速信號布線時(shí)盡量少打孔換層，換層優(yōu)先選擇兩邊是GND的層面處理。盡量收發(fā)信號布線在不同層，如果空間有限，需收發(fā)信號走線同層時(shí)，應(yīng)加大收發(fā)信號之間的布線距離。

針對以上高速信號還有如下方面的要求：

01

BGA焊盤區(qū)域挖參考層

如果接口的工作速率≥8Gbps，建議在BGA區(qū)域，挖掉這些信號正下方的L2層參考層，以減小焊盤的電容效應(yīng)，挖空尺寸R=10mil。

如果接口的工作速率＜8Gbps，例如DP接口只工作在5.4Gbps，那么不用挖BGA區(qū)域的參考層，如下圖所示。

02

避免玻纖編織效應(yīng)

PCB基板是由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂填充壓合而成。玻璃纖維的介電常數(shù)大約是6，樹脂的介電常數(shù)一般不到3。在路徑長度和信號速度方面發(fā)生的問題，主要是由于樹脂中的玻璃纖維增強(qiáng)編織方式引起的。

較為普通的玻璃纖維編織中的玻璃纖維束是緊密絞合在一起的，因此束與束之間留出的大量空隙需要用樹脂填充，PCB中的平均導(dǎo)線寬度要小于玻璃纖維的間隔，因此一個(gè)差分對中的一條線可能有更多的部分在玻璃纖維上、更少的部分在樹脂上，另一條線則相反（樹脂上的部分比玻璃纖維上的多）。這樣會(huì)導(dǎo)致D+和D-走線的特性阻抗不同，兩條走線的時(shí)延也會(huì)不同，導(dǎo)致差分對內(nèi)的時(shí)延差進(jìn)而影響眼圖的質(zhì)量。

當(dāng)接口的信號速率達(dá)到8Gbps，且走線長度超過1.5inch，需謹(jǐn)慎處理好玻纖編織效應(yīng)。建議采用以下方式之一來避免玻纖編織效應(yīng)帶來的影響。

方式一：改變走線角度，如按10°~ 35°，或PCB生產(chǎn)加工時(shí)，將板材旋轉(zhuǎn)10°以保證所有走線都不與玻纖平行，如下圖所示。

方式二：使用下圖走線，則W至少要大于3倍的玻纖編織間距，推薦值W=60mil，θ=10°，L=340mil。

03

差分過孔建議

1、高速信號盡量少打孔換層，換層時(shí)需在信號孔旁邊添加GND過孔。地過孔數(shù)量對差分信號的信號完整性影響是不同的。無地過孔、單地過孔以及雙地過孔可依次提高差分信號的信號完整性。

2、選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的PCB設(shè)計(jì)來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/焊盤/POWER隔離區(qū)）的過孔較好；對于一些高密度的PCB也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔，也可以嘗試盲埋孔設(shè)計(jì)。

3、過孔中心距的變化，對差分信號的信號完整性影響是不同的。對于差分信號，過孔中心距過大或過小，均會(huì)對信號完整性產(chǎn)生不利影響。

4、如果接口的工作速率≥8Gbps，那么這些接口差分對的過孔尺寸建議根據(jù)實(shí)際疊層進(jìn)行仿真優(yōu)化。

以下給出基于EVB一階HDI疊層的過孔參考尺寸：

R_Drill=0.1mm (鉆孔半徑)

R_Pad=0.2mm (過孔焊盤半徑)

D1：差分過孔中心間距

D2：表層到底層的反焊盤尺寸

D3：信號過孔與回流地過孔的中心間距

04

耦合電容優(yōu)化建議

1、耦合電容的放置，按照設(shè)計(jì)指南要求放置。如果沒有設(shè)計(jì)指南時(shí)，若信號是IC到IC，耦合電容靠近接收端放置；若信號是IC到連接器，耦合電容請靠近連接器放置。

2、盡可能選擇小的封裝尺寸，減小阻抗不連續(xù)。

3、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的差分隔直電容建議按如下方式進(jìn)行優(yōu)化：

1）根據(jù)接口選擇挖空一層或者兩層地平面，如果挖空電容焊盤正下方L2地參考層，需要隔層參考，即L3層要為地參考層；

2）如果挖空L2和L3地參考層，那么L4層要為地參考層。挖空尺寸需根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定；以下給出基于EVB一階HDI疊層的參考尺寸。

【注】D1：差分耦合電容之間的中心距；L：挖空長度；H：挖空寬度。

4、在耦合電容四周打4個(gè)地通孔以將L2~L4層的地參考層連接起來，如下圖所示。

05

ESD優(yōu)化建議

1、ESD保護(hù)器件的寄生電容必須足夠低，以允許高速信號傳輸而不會(huì)降級。

2、ESD需放置在被保護(hù)的IC之前，但盡量與連接器/觸點(diǎn)PCB側(cè)盡量靠近；放置在與信號線串聯(lián)任何電阻之前；放置在包含保險(xiǎn)絲在內(nèi)的過濾或調(diào)節(jié)器件之前。

3、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的差分對ESD器件建議按以下方式優(yōu)化。挖空ESD焊盤正下方L2和L3地參考層，L4層作為隔層參考層，需要為地平面。挖空尺寸需結(jié)合 ESD型號并根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定。

以下給出基于基于EVB一階HDI疊層的所用ESD型號為ESD73034D的參考尺寸：

4、同時(shí)在每個(gè)ESD四周打4個(gè)地通孔，以將L2~L4層的地參考層連接起來，如下圖所示。

06

連接器優(yōu)化建議

1、在連接器內(nèi)走線要中心出線。如果高速信號在連接器有一端信號沒有與GND相鄰PIN時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其旁邊加GND孔。

2、如果接口的信號工作速率≥8Gbps，那么這些接口的連接器要能符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求（如HDMI2.1/DP1.4/PCI-E3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）。推薦使用這些廠商的連接器：Molex、Amphenol、HRS等等。

3、根據(jù)接口選擇挖空一層或者兩層地平面，如果挖空連接器焊盤正下方的L2地參考層，需隔層參考，即L3層要作為地參考層；如果挖空L2和L3的地參考層，那么L4層需要為地平面，作為隔層參考層。挖空尺寸需結(jié)合連接器型號并根據(jù)實(shí)際疊層通過仿真確定。

4、建議在連接器的每個(gè)地焊盤各打2個(gè)地通孔，且地孔要盡可能靠近焊盤。

以下給出基于EVB一階HDI疊層的挖空參考尺寸：

連接器推薦布線方式：

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