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1、 双层信号处理板设计和可制作性简析 江润 （彩电事业本部研发总部工程院 第一研究所）【摘要】本文拟从板材成本控制、热设计、防串扰、信号完整性、防静电雷击等多个层面研究和探讨电视机领域应用最广泛双层信号处理板的设计，并结合实例进行介绍和说明，以达到提高设计效率的目的。【关键词】DDR 阻抗控制 热设计 可制作设计 信号完整性 ESD 雷击一、 技术背景半导体科技的发展，促使元器件往小型化、高度集成化发展，且由于成本的压力，信号板设计逐步采用双层设计，PCB板尺寸不断压缩，元件分布越来越密集，这导致产品设计过程多方面的问题。芯片拥有高效率、小体积与大热量并存，芯片高集成工艺导致芯片的静电防护能力呈
2、几何数量级的下降，元件的密集分布导致信号间串扰、信号完整性问题等问题。本文从这些问题根源着手，对双层板设计要点进行分析。 二、板材制作与成本分析双层PCB主要组成有铜皮、丝印、钻孔、槽孔、绿油、板材、焊盘、走线等，这些和产品成本密切相关，下面将对这些影响因素进行详细描述：1) 槽孔的加工费用约为钻孔的10倍，沉铜孔槽宽设计需0.55MM, 非沉铜孔槽宽需 1MM；(槽长+0.15MM)2 X (槽宽+0.15MM)，接近圆孔的槽，尽量设计成圆孔，以降低加工难度和成本。2）钻孔是PCB最大的加工成本,约为PCB价格17-20%，由钻孔的密度和孔径大小决定。表1为孔径对PCB价格的影响：孔径精密程
3、度钻孔费用（以50000孔/M2为例）加工效率（以1.6T板厚为例）0.20mm高精密280-300元1块/叠0.25mm精密100-150元2块/叠0.3mm普通精密70-90元2块/叠0.4mm常规60-70元3块/叠 表1 钻孔加工价目表3）沉铜孔与非沉铜孔设计间距应0.4MM，间距小于0.3MM时，容易发生破孔，故钻孔设计时应避免两类钻孔的间距太小，产生额外加工成本。4）绿油封孔设计：目前PCB行业只针对0.4MM,保证大电流能通过，浪涌能量能够有效泄放。能量的泄放点尽可能靠近大地。雷击浪涌的信号冲击的瞬间，网口的地电平被迅速拉高，虽然构造泄放途径，但由于地线有内阻，离零电位（大地）的
4、距离越远，则线路的阻抗越大，泄放的时间越长。网口隔离变压器输出可以串接10欧姆的小电阻，对于衰减部分静电冲击，有一定效果。隔离变压器输出信号保持差分、包地打孔方式，能够部分吸收雷击浪涌的瞬时脉冲和静电冲击2）增加雷击防护器件通过在合适位置布置雷击浪涌防护器件，能有效实现雷击防护。雷击放电防护器件有气体放电管、压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和半导体放电管等。表4三种不同的浪涌抑制器件性能参数比较 表4种浪涌器件的性能比较 对网口线路这类小电流且要求低阻抗、低电压钳位的连接，TVS是最合适的雷击浪涌防护器件。通过在隔离变压器输入布置差模浪涌吸收器件，在变压器输出布置共模浪涌钳位器件，可以实现雷击浪涌有
5、效防护，具体见图18 图18网络口的TVS器件布置图七、产品可制作性设计产品的可制作性( Design For Manufacturing )设计主要是研究产品本身的物理、电气、机械设计与制造系统各部分之间的相互关系，通过研究这种关系并融汇于设计，使设计的产品便于制造，能更顺利地投入生产，减少制造过程中的质量缺陷，从而达到缩短产品研制或生产周期、降低成本、提高产品质量和生产效率的目的。以产品加工阶段进行划分，可以把可制作性设计分成两类：生产前可制作设计：它指印制板设计是否满足PCB厂家可执行的加工要求。具体的大概有几种：1.PCB的槽孔加工是否满足加工要求2.PCB最小钻孔孔径设计是否满足加工
6、要求3.走线之间的最小间距是否满足加工要求4.设计的最小线宽是否满足加工要求5.金属化孔和非金属化孔间距是否满足加工要求。6.我们要求的覆铜厚度是否满足加工要求7.PCB设计的GERBER文件是否正确无误。生产中可制作设计：指印制板设计是否采用合理设计或者改善工艺以提高生产效率。SMT部分1） 设计是否采用标准化的焊盘设计，有无出现掉料、立碑现象2) 贴片元件焊盘尽量布设在PCB板的同一面，提高SMT贴装效率3） 必须接地的螺孔焊盘设计是否合理，是否需要涂锡膏防止氧化4） 铜皮散热区域设计是否合理，有无采用网格或斜线设计，是否堆锡5） 是否存在焊盘设计不合理导致桥连现象6） PCB在元件布局中
7、是否考虑了设计避让区域7） PCB板上必须设计MARK点作为焊装元件坐标定位使用8) 所有的BGA封装必须由阻焊层从上面盖住，防止不必要的热转移9） 钻孔设计是否和焊盘太过靠近引起缺锡虚焊现象10） 带EPAD的IC设计导热孔需考虑合理性，是否有焊料流失现象11) 元件体下面的过孔和其他不需焊接的孔应有阻焊覆盖或塞孔，以防焊接时焊料流失或流到元件体上，造成短路或损坏元器件机芯部分1） 元件是否分布均匀、板材重心位于板的中心，防止回流或波峰焊板材翘曲2） 布局时元器件的安装间距和与板边缘距离应符合安装、维修和测试的要求3） 波峰或回流焊接元件的耐温特性是否满足要求，有无塑料件等易融化元件4） 电
8、解电容的正负摆放方向是否一致，是否有利于插件5） 印制板上的测试点尽量设置在板的边缘，或不易被其他元件遮挡的地方，以便于测试6） 散热片采用贴胶方式固定应考虑过波峰是否出现脱落现象，导热胶选择是否合适7） 机械化开孔设计是否存在孔壁太薄，容易产生孔裂现象8） 是否预留了标准定义的QA贴纸的位置9） 需采用插件料应考虑是否采用短脚物料，以节省剪脚工艺10） 印制板上布置的插件料过波峰是否出现高脚现象，焊盘设计是否合理11） 易产生桥连的插座和端子是否有增加白油阻焊12） 拼版的设计是否合理，会不会造成掰板困难，或物理应力损坏器件13） 接插件的位置、焊盘设计是否合理，是否会造成拔插时候的应力损坏
9、14) 连接器和插座必须置于PCBA主要焊接面，利于生产检验15） 因设计需要进行改版时，尽量减少底层焊盘更改，减少波峰夹具替换16） 贴装元件和插件元件是否满足标准设计高度要求17） 对于大面积露铜上的焊盘设计需要注意隔热处理，防止热量流失导致虚焊18） 焊盘和其他露铜铜皮是否存在间距太近引起波峰连焊现象19） 对于引脚较密、容易桥连的元件是否预留偷锡焊盘设计20） 拼版应注意尺寸要求，避免板材过大造成焊接软化，过小造成余料产生21）必须使用屏蔽盒的设计中，应注意屏蔽盒过波峰是否出现高脚现象，维修是否方便售后部分1） 元件位置和极性标志应与电原理图要求相符。2）设计应尽量避免在PCB底层采用
10、EMC屏蔽盒，避免生产和维护困难3）主板的元件放置是否合理，是否有元件放置不合适导致维修困难4）有相互连线的元器件应相对靠近排列，以利于以便于调试和维修5）所有的元件是否有清晰的丝印标识6）使用涂胶方式固定散热片应考虑是否利于售后维修和拆卸7）采用屏蔽盒的设计，应考虑屏蔽盒上盖可分离设计，要不要增加对流散热通孔9）对印制板上容易出现故障的元器件，在布局时应留有检测、拆卸、更换、装配和调整的空间位置，避免有元器件损坏无法拆卸和维修，造成整个印制板组装件的报废10）了解产品的使用环境，是否属于高腐蚀环境，是否需要涂覆三防漆防爬行腐蚀整机装配部分1） 有散热要求的元件周围元件的布局和排列方向是否形成
11、阻挡、是否有利于散热2) 印制板连接组装件是否需要增加防环境应力（振动）的固定孔3） 生产工艺采用扎线时应考虑操作是否简洁、合理4） 需要采用EMC磁环时应考虑固定是否可靠，是否需要在PCB板上增加扎线固定孔5） 需要贴装EMC导电胶布应考虑工艺的快捷，有无短路风险、是否影响生产效率6） 对于长宽比例较大或面积较大的印制板，容易产生翘曲变形，需要增加板的厚度或采取增加支撑点和边框加固等措施八 总结 在当今信号处理领域，双层板的信号设计已经成为设计主流，要做好双层板的信号设计，需要掌握产品成本控制、器件选择、完整性设计理论、EMC和ESD设计、兼容性设计、热设计等多门学科知识，相信通过对相关领域知识的不断学习和经验积累，我们一定可以不断优化我们的产品设计，提高我们的产品质量和品质，为我们的企业、我们服务的行业设计出更好的产品。参考文献 1 沙斐-机电一体化的电磁兼容性2 若美电子 PCB设计优化3 姜培安-印制板可制造性设计和产品验收4 杨继深-电磁兼容技术之产品研发与认证4 浙江大学-ESD讲义11