剛撓印制板高速信號(hào)布線設(shè)計(jì)研究

鮮明

【摘要】??? 通過(guò)某剛撓印制板上高速信號(hào)線走線設(shè)計(jì)研究，解決剛撓印制板高速信號(hào)傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洹⑿盘?hào)完整性及電磁干擾等瓶頸問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】??? 剛撓印制板??? 高速信號(hào)線??? 阻抗匹配??? 信號(hào)完整性

前言

隨著裝備用戶對(duì)設(shè)備小型化的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品研制過(guò)程中剛撓印制板應(yīng)用已非常廣泛，但都是利用剛撓印制板傳輸?shù)退傩盘?hào)（信號(hào)速率≤100Mbps）。利用剛撓印制板傳輸高速信號(hào)（信號(hào)速率≥400Mbps），調(diào)研國(guó)內(nèi)印制板廠家來(lái)看，該技術(shù)多數(shù)應(yīng)用于商業(yè)消費(fèi)領(lǐng)域，在其他行業(yè)應(yīng)用較少。

剛撓印制板傳輸高速信號(hào)的瓶頸在于信號(hào)在撓性區(qū)域及剛撓結(jié)合處的信號(hào)完整性問(wèn)題：高速信號(hào)在撓性區(qū)域傳輸時(shí)因阻抗匹配易造成噪聲問(wèn)題，比如振鈴、反射及衰減等;高速信號(hào)在穿越剛撓結(jié)合區(qū)域時(shí)易產(chǎn)生未知的信號(hào)突變。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們的設(shè)計(jì)研究必須保證高速信號(hào)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ浼胺乐剐盘?hào)突變。

高速信號(hào)線板間傳統(tǒng)傳輸方式

電纜連接

板與板之間連接的高速信號(hào)全部用外置電纜連接進(jìn)行傳輸。電纜體積較大，會(huì)大量占據(jù)本來(lái)就狹小的設(shè)備空間，而且增加設(shè)備重量，非常不利于小型化設(shè)計(jì)。大量電纜線纏繞又影響工藝走線美觀和造成EMI電磁干擾等諸多問(wèn)題;同時(shí)在振動(dòng)沖擊較大的惡劣環(huán)境下，電纜與普通剛板之間的焊接存在焊點(diǎn)斷裂等隱患。

連接器連接

多個(gè)模塊子板通過(guò)連接器與背板連接來(lái)傳輸高速信號(hào)。這種方式的連接質(zhì)量很大程度上依賴于連接器的質(zhì)量，如果連接器質(zhì)量不穩(wěn)定的話，在熱沖擊和振動(dòng)沖擊的環(huán)境下在連接器處很容易引起接觸不良和信號(hào)傳輸失真，尤其對(duì)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)這種影響即為嚴(yán)重。

剛撓印制板高速信號(hào)線布線需求

某項(xiàng)目提出以剛撓印制板做母板傳輸3.125Gbps等高速差分信號(hào)在內(nèi)的多類型信號(hào)。

隨著此類設(shè)計(jì)需求的增多，迫切需要進(jìn)行高速剛撓印制板設(shè)計(jì)研究，以解決工程應(yīng)用問(wèn)題，并推廣應(yīng)用。該技術(shù)主要應(yīng)用于有減量和減小體積要求的小型化設(shè)備，尤其適用于航空、航天及彈載、箭載等熱沖擊振動(dòng)沖擊環(huán)境惡劣的領(lǐng)域。

布線設(shè)計(jì)技術(shù)

本次我們選取的研究對(duì)象為某型號(hào)母板。該母板涵蓋300Mbps、1Gbps及3.125Gbps等多種高速差分信號(hào)，且信號(hào)傳輸環(huán)境復(fù)雜，成品板剛板層數(shù)高達(dá)16層（撓板層數(shù)高達(dá)8層），因此選取該母板作為我們的研究對(duì)象具有非常典型的意義。

調(diào)研印制板加工廠家，分析剛撓板設(shè)計(jì)規(guī)范，提煉高速信號(hào)阻抗匹配要求

分析剛撓印制板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提煉與高速信號(hào)線相關(guān)的內(nèi)容，目前行業(yè)內(nèi)高速剛撓印制板加工最高可以做到24層。

剛撓板阻抗影響因素主要包括：疊層結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、銅厚、銅箔類型、線寬及間距等。

總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)為某型號(hào)母板。該設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)緊湊，減重要求高，震動(dòng)環(huán)境惡劣，系統(tǒng)分支多，該母板總共由四個(gè)模塊組成，模塊之間連接關(guān)系復(fù)雜。以往常規(guī)做法是各模塊分別設(shè)計(jì)，最后通過(guò)電纜在母板上進(jìn)行對(duì)接和調(diào)試。這樣做設(shè)備體積難以減小且重量難以減輕，布線較多，用導(dǎo)線進(jìn)行連接，焊接難度大，可靠性也不高。

對(duì)此，我們采用剛撓印制板對(duì)母板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將原來(lái)采用電纜或光纖的部分全部采用撓性板來(lái)替代，即母板會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)空間位置伸出三個(gè)分支剛撓印制板，大量的電纜使用薄薄的三個(gè)分支剛撓印制板就可完全代替，不僅節(jié)約了結(jié)構(gòu)空間，更大大簡(jiǎn)化了整體設(shè)計(jì)思路，同時(shí)還可將不同類型和頻率的信號(hào)分門別類地布線，大大減小了相互干擾，提高了產(chǎn)品可靠性。

該剛撓印制板總體方案設(shè)計(jì)的三維空間模型如圖 1所示。

詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)板上傳輸?shù)男盘?hào)種類進(jìn)行梳理，既有4Mbps，又有300Mbps、1Gbps及3.125Gbps等高速差分信號(hào)，且這些高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中將多次穿越不同的剛撓結(jié)合區(qū)域，因此易造成嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題：一為高速信號(hào)在撓性區(qū)域傳輸時(shí)因阻抗匹配易造成噪聲問(wèn)題，比如振鈴、反射及衰減等;二為高速信號(hào)在穿越剛撓結(jié)合區(qū)域時(shí)易產(chǎn)生未知的信號(hào)突變。

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求梳理高速信號(hào)種類。

3.125Gbps、1Gbps及300Mbp三種差分信號(hào)屬于高速敏感信號(hào)，若設(shè)計(jì)不合理，易造成嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題，是本次研究重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

高速信號(hào)線詳細(xì)布線設(shè)計(jì)

高速差分線阻抗嚴(yán)格控制為100Ω±10%（包含撓性區(qū)域）。

高速差分線在傳輸路徑上跨越不同的剛撓結(jié)合區(qū)域時(shí)走線寬度和間距避免突兀過(guò)渡，同時(shí)采用平滑走線變化設(shè)計(jì)，避免信號(hào)突變。

高速差分線傳輸路徑上避免打過(guò)孔、合理的疊層設(shè)置、加工時(shí)采用壓沿銅箔這種延展性好的材料來(lái)加工及撓板張與張之間不粘接，保證彎折性。

結(jié)束語(yǔ)

普通剛撓印制板在機(jī)載、船載、彈載、星載及箭載等各類平臺(tái)已經(jīng)得到大量工程化應(yīng)用。后期經(jīng)過(guò)環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)后，高速剛撓印制板將在機(jī)載、船載、彈載、星載及箭載等平臺(tái)得到工程化推廣應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 申德駿，譚超.多層印制板疊層設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)完整性的影響研究.電子設(shè)計(jì)工程，2015，15（05）：154-157.

[2] 陳世金，鄧宏喜，楊詩(shī)偉等.銅箔質(zhì)量對(duì)印制板阻抗線寬控制失效影響分析.印制電路信息，2014，12（02）：51-54.