朱興華

（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

陳苑明 何 為

（電子科技大學應用化學系，四川 成都 610054）

新一代移動通信、“云計算”等信息技術的發(fā)展驅使高速數(shù)字系統(tǒng)的主頻在不斷提高，信號傳輸速度高速增長，數(shù)字邏輯電路的頻率已經(jīng)達到甚至超過45 MHz ～50 MHz；印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為高速數(shù)字互連系統(tǒng)的載體，直接影響信號傳輸可靠性，PCB信號完整性問題備受關注[1]-[3]。高速信號是通過PCB的互連線結構（傳輸線和過孔）實現(xiàn)傳輸，因內外學者均有對PCB互連線設計與仿真的研究[4][5]，但是將仿真設計直接應用于實際制作工藝的研究甚少。本文針對PCB互連線設計和制作工藝對信號完整性的影響的關鍵問題進行了系統(tǒng)的分析和綜述。

1 信號完整性問題的形式

信號完整性是指信號未受到損傷的一種狀態(tài)，它表示信號質量和信號傳輸后仍保持正確的功能特性，良好的信號完整性是指在需要時信號仍能以正確的時序和電壓電平值做出響應。高速數(shù)字系統(tǒng)中，器件的參數(shù)、PCB的布局、高速信號的布線等因素都會引起信號完整性問題，導致信號失真、定時錯誤和不正確的數(shù)據(jù)傳輸，電路工作不正常，甚至系統(tǒng)崩潰。信號完整性問題主要來源于反射、串擾與電磁干擾等。

1.1 反射

信號源產(chǎn)生帶有能量的信號，信號沿傳輸線傳播時，其路徑上的每一段都有相應的瞬態(tài)阻抗，只要瞬態(tài)阻抗發(fā)生了改變，部分信號都將沒著與原傳播方向相反的方向回傳，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度有所改變，將瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的地方稱為阻抗突變，是阻抗突變引起了反射，反射會使信號質量下降，形成振鈴現(xiàn)象。減小與消除反射方法是根據(jù)傳輸線的特性阻抗在其發(fā)送端或接收端進行終端阻抗匹配，從而使源反射系數(shù)或負載反射系數(shù)為0[6]。

1.2 串擾

信號在傳輸線上傳播時，由于電磁場的相互耦合而產(chǎn)生不期望的噪聲電壓信號稱為信號串擾，串擾超出一定的值將引發(fā)電路誤動作從而導致系統(tǒng)無法正常工作。串擾分為容性串擾和感性串擾兩類, 感性串擾的比例要比容性串擾大得多。減小容性串擾，可以通過加大信號線間距，減小平行走線長度，且在布線空間允許的條件下在串擾嚴重的兩條信號線間加入一根地線；對于感性串擾，應盡量減小環(huán)路的面積，在允許的范圍內盡量消除這個環(huán)路，避免信號共用回路。

1.3 電磁干擾

電磁干擾是指任何可能引起裝置、設備、傳輸通道或系統(tǒng)的性能降低的電磁現(xiàn)象。電磁干擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化。在高速PCB及系統(tǒng)設計中，高頻信號線，芯片的引腳、接插件等都可能成為具有天線特生的電磁輻射干擾源。減小電磁干擾的主要途徑包括屏蔽、濾波、消除電流環(huán)路與盡量降低器件的速度。

2 高速PCB設計與信號完整性

PCB技術的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為小型化、高密度與集成化，其作為高速傳輸系統(tǒng)中心平臺，對信號完整性的影響成為高速PCB的重點和難點[7]。繼孔、線、層等作為PCB重點研究對象后，信號完整性成為PCB另一個核心研究方向。在20年前，PCB被當作是用來連接各個元件的無源器件，其設計只需保證走線在元件管腳之間的連接是正確的，不需要考慮PCB對電路性能的影響。近年來，隨著時鐘頻率的提高或上升邊的減小，PCB的設計需要考慮走線的各種寄生效應，如電阻、電容和電感，每條走線之間的相互影響，以及走線和PCB外部環(huán)境的相互影響，這些影響將導致信號完整性問題[8]。

PCB設計常依照IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型或SPICES（imulation program with integrated circuit emphasis）模型進行設計。PCB設計對信號完整性的影響與仿真，國內外在理論研究和工程實踐方面已取得很大進展。目前PCB已經(jīng)大量應用的高密度互連技術（HDI），即從信號完整性角度采用短線、薄層、淺孔（激光盲孔）設計[9]。

2.1 過孔設計對信號的影響

常見的印制電路板過孔設計有很多類型，如通孔、埋孔、盲孔（包括機械盲孔和激光盲孔）等，并可通過Stacked Via（堆疊導通孔）、Via on Hole（孔上導通孔）、Interstitial Via Hole（中間孔、埋盲孔）等結構在同一PCB中進行組合設計。從技術成熟度和制造成本的角度，不同的PCB布線設計決定了不同的過孔結構。但這些常見的過孔結構對高速信號傳輸造成了不同程度的影響。當前出現(xiàn)了很多新型的過孔結構設計，對降低信號傳輸?shù)膿p失具有不錯的效果。

Y. Kim等[10]通過Ansoft Maxwell Q3D仿真研究發(fā)現(xiàn)同軸過孔結構有很好的屏蔽作用，可有效降低高傳輸損失。過孔反鉆（Back Drill）技術可減小過孔的多余銅樁(Stub)，避免過長Stub對高頻信號產(chǎn)生的輻射和衰減，提高差分過孔對MGHz信號傳輸?shù)馁|量；雙直徑（Dual）過孔技術通過減小過孔多余部分的孔徑，大大減小過孔的寄生參數(shù)，提高差分對過孔對MGHz信號傳輸?shù)母哳l性能[11]。采用全波電磁仿真軟件建立導通孔三維物理模型，減小過孔孔徑、減小過孔長度和減小過孔多余部分（Stub）的長度可保證GHz信號傳輸?shù)牟迦霌p耗在可控范圍[12]。采Ansoft HFSS仿真，減小過孔孔徑和采用反鉆技術（Back Drill）技術，可極大改善過孔傳輸特性，并減小反射的能量[13]。

2.2 傳輸線設計對信號的影響

傳輸線是高速信號最重要的傳輸路徑。當邏輯元件的方波信號之上升時間（Tr）極短，若令該信號于板面某長度導線中飛行時，Tr對該“飛時”（Tpd）的比值在5倍到8倍之間者，即該導線的行為即可稱為傳輸線。PCB的傳輸線由信號線、參考層以及介質層共同組成。假設Tr為1 ns，Tpd快到200 ps，將其換算到FR-4板上實際的傳輸線約為3 cm，故當Tr為1 ns時，F(xiàn)R-4板線路超過3 cm時即進入傳輸線之體系。傳輸線體系中出現(xiàn)的任何缺口、針孔、凹陷、介質缺陷等，均將造成不良的傳輸效應[14][15]。甘平等[16]結合全電荷格林函數(shù)法與矩量法提取高速PCB傳輸線的分布，找出影響信號傳輸性能的各種參數(shù)，優(yōu)化了信號的傳輸特性。A. Dounavis等[17]采用被動封閉形式模型仿真?zhèn)鬏斁€的信號，控制了在高頻條件下傳輸線傳輸信號的完整性。傳輸線的合理設計可減小反射、串擾與電磁干擾。

3 PCB工藝與信號完整性

將已設計的印制電路板通過工藝方法將其制作出來，并盡可能減小實物與設計的差異。選擇正確的材料、制作與設計一致的傳輸線和過孔是印制電路板制作工藝對信號完整性影響的主要因素。

3.1 PCB材料對信號完整性的影響

PCB的制作材料對信號完整性有著重要的影響[18][19]。PCB板材是構成傳輸線的基礎，信號通過時，傳輸線、參考平面與夾在二者之間的絕緣介質構成了電容器，從信號傳輸理論知道這個電容越小對信號完整性的影響越小，因此PCB板材的介電常數(shù)（εr）和介電損耗（tanδ）的大小會對信號傳輸產(chǎn)生影響。國內外對低εr、tanδ材料的研究已有很大進展，并已實施產(chǎn)業(yè)化，其代表有Nelco、Rogers、Isola、Panasonic等公司，國內的生益科技也有相關的產(chǎn)品。

制作印制電路板的主要材料還包括銅箔，其對高頻信號的完整性也有著很大影響，高頻信號會在表面粗糙的傳輸線上產(chǎn)生集膚效應，而且頻率越高影響越大，選擇低粗糙度銅箔可減小集膚效應對高頻信號的影響[20]。

3.2 PCB制作工藝對信號完整性的影響

小孔、細線等新技術不斷的被應用到高速印制電路板上[21]。PCB制作工藝對信號完整性的影響主要集中在銅面處理（前處理工藝）、傳輸線制作和過孔加工等三個方面。

前處理工藝涉及圖形轉移前銅面處理、多層板壓合前銅面處理、阻焊前銅面處理、表面處理前銅面處理等過程，經(jīng)過前處理后，銅箔表面粗化后均勻性受到不同程度破壞，高頻信號傳輸時易產(chǎn)生集膚效應[17]。在工藝技術可接受的條件下，減少對銅面粗化的前處理工藝，當前研究的公開文獻不多。

PCB前處理、貼膜/涂覆、曝光、顯影、蝕刻和退膜等傳輸線制作工藝過程是將傳輸線的模擬設計轉化成實物的重要環(huán)節(jié)。制作線寬、線距、線厚等幾何結構與設計匹配一致的傳輸線，是傳輸線制作工藝的研究重點。近年來國內外針對傳輸線的精細化研究取得了較大進步，加成法工藝（含全加成和半加成）已經(jīng)普遍應用，而激光直接成像、真空蝕刻等新技術也推廣應用傳輸線制作。

過孔制作工藝隨著近年來數(shù)控鉆機和鉆頭技術的進步，越來越小的過孔設計成為現(xiàn)實，直徑0.105 mm的過孔已被應用。過孔背鉆技術既可改善又能節(jié)省成本，由于可以滿足系統(tǒng)信號完整性的要求受到廣泛應用。同軸過孔制作技術[10]的開發(fā)和其它過孔加工技術開發(fā)十分迫切。

4 PCB制作工藝的展望

國外在理論、工程實踐和EDA軟件方面對信號完整性研究逐步深入，而國內對信號完整性的研究也逐漸跟進。印制電路板的設計、仿真和印制電路板材料日趨成熟，但如何將設計良好的印制電路板制作出來，國內外的公開文獻很少，結合當今PCB制作技術的現(xiàn)狀，筆者認為保證信號完整性的情況下，PCB制作工藝技術尚存在難點包括：（1）開發(fā)出對傳輸線表面粗糙度影響小的前處理工藝，在傳輸線表面平滑的前提下還能保證多層板的層間結合力；（2）通過電磁仿真，研究降低傳輸線集膚效應對高頻高速信號傳輸?shù)膿p失；通過電磁仿真，研究與開發(fā)新的過孔結構，在不影響效率和兼顧產(chǎn)業(yè)化成本的前提下，減小過孔銅樁（Stub），從而減小高速信號傳輸?shù)倪^孔反射損失。

5 結論

高速數(shù)字系統(tǒng)中，印制電路板的設計和制作工藝會影響高速傳輸?shù)男盘柾暾?，信號完整性問題成為高速系統(tǒng)實現(xiàn)的一個瓶頸。信號完整性問題的主要形式有反射、串擾與電磁干擾等。文中闡述了PCB過孔、傳輸線設計與制作PCB的材料、工藝技術對信號完整性的影響。

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