印制电路板设计与工艺对信号完整性的影响

朱兴华

（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

陈苑明 何 为

（电子科技大学应用化学系，四川 成都 610054）

新一代移动通信、“云计算”等信息技术的发展驱使高速数字系统的主频在不断提高，信号传输速度高速增长，数字逻辑电路的频率已经达到甚至超过45 MHz ～50 MHz；印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）作为高速数字互连系统的载体，直接影响信号传输可靠性，PCB信号完整性问题备受关注[1]-[3]。高速信号是通过PCB的互连线结构（传输线和过孔）实现传输，因内外学者均有对PCB互连线设计与仿真的研究[4][5]，但是将仿真设计直接应用于实际制作工艺的研究甚少。本文针对PCB互连线设计和制作工艺对信号完整性的影响的关键问题进行了系统的分析和综述。

1 信号完整性问题的形式

信号完整性是指信号未受到损伤的一种状态，它表示信号质量和信号传输后仍保持正确的功能特性，良好的信号完整性是指在需要时信号仍能以正确的时序和电压电平值做出响应。高速数字系统中，器件的参数、PCB的布局、高速信号的布线等因素都会引起信号完整性问题，导致信号失真、定时错误和不正确的数据传输，电路工作不正常，甚至系统崩溃。信号完整性问题主要来源于反射、串扰与电磁干扰等。

1.1 反射

信号源产生带有能量的信号，信号沿传输线传播时，其路径上的每一段都有相应的瞬态阻抗，只要瞬态阻抗发生了改变，部分信号都将没着与原传播方向相反的方向回传，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变，将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变，是阻抗突变引起了反射，反射会使信号质量下降，形成振铃现象。减小与消除反射方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数为0[6]。

1.2 串扰

信号在传输线上传播时，由于电磁场的相互耦合而产生不期望的噪声电压信号称为信号串扰，串扰超出一定的值将引发电路误动作从而导致系统无法正常工作。串扰分为容性串扰和感性串扰两类, 感性串扰的比例要比容性串扰大得多。减小容性串扰，可以通过加大信号线间距，减小平行走线长度，且在布线空间允许的条件下在串扰严重的两条信号线间加入一根地线；对于感性串扰，应尽量减小环路的面积，在允许的范围内尽量消除这个环路，避免信号共用回路。

1.3 电磁干扰

电磁干扰是指任何可能引起装置、设备、传输通道或系统的性能降低的电磁现象。电磁干扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。在高速PCB及系统设计中，高频信号线，芯片的引脚、接插件等都可能成为具有天线特生的电磁辐射干扰源。减小电磁干扰的主要途径包括屏蔽、滤波、消除电流环路与尽量降低器件的速度。

2 高速PCB设计与信号完整性

PCB技术的发展趋势表现为小型化、高密度与集成化，其作为高速传输系统中心平台，对信号完整性的影响成为高速PCB的重点和难点[7]。继孔、线、层等作为PCB重点研究对象后，信号完整性成为PCB另一个核心研究方向。在20年前，PCB被当作是用来连接各个元件的无源器件，其设计只需保证走线在元件管脚之间的连接是正确的，不需要考虑PCB对电路性能的影响。近年来，随着时钟频率的提高或上升边的减小，PCB的设计需要考虑走线的各种寄生效应，如电阻、电容和电感，每条走线之间的相互影响，以及走线和PCB外部环境的相互影响，这些影响将导致信号完整性问题[8]。

PCB设计常依照IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型或SPICES（imulation program with integrated circuit emphasis）模型进行设计。PCB设计对信号完整性的影响与仿真，国内外在理论研究和工程实践方面已取得很大进展。目前PCB已经大量应用的高密度互连技术（HDI），即从信号完整性角度采用短线、薄层、浅孔（激光盲孔）设计[9]。

2.1 过孔设计对信号的影响

常见的印制电路板过孔设计有很多类型，如通孔、埋孔、盲孔（包括机械盲孔和激光盲孔）等，并可通过Stacked Via（堆叠导通孔）、Via on Hole（孔上导通孔）、Interstitial Via Hole（中间孔、埋盲孔）等结构在同一PCB中进行组合设计。从技术成熟度和制造成本的角度，不同的PCB布线设计决定了不同的过孔结构。但这些常见的过孔结构对高速信号传输造成了不同程度的影响。当前出现了很多新型的过孔结构设计，对降低信号传输的损失具有不错的效果。

Y. Kim等[10]通过Ansoft Maxwell Q3D仿真研究发现同轴过孔结构有很好的屏蔽作用，可有效降低高传输损失。过孔反钻（Back Drill）技术可减小过孔的多余铜桩(Stub)，避免过长Stub对高频信号产生的辐射和衰减，提高差分过孔对MGHz信号传输的质量；双直径（Dual）过孔技术通过减小过孔多余部分的孔径，大大减小过孔的寄生参数，提高差分对过孔对MGHz信号传输的高频性能[11]。采用全波电磁仿真软件建立导通孔三维物理模型，减小过孔孔径、减小过孔长度和减小过孔多余部分（Stub）的长度可保证GHz信号传输的插入损耗在可控范围[12]。采Ansoft HFSS仿真，减小过孔孔径和采用反钻技术（Back Drill）技术，可极大改善过孔传输特性，并减小反射的能量[13]。

2.2 传输线设计对信号的影响

传输线是高速信号最重要的传输路径。当逻辑元件的方波信号之上升时间（Tr）极短，若令该信号于板面某长度导线中飞行时，Tr对该“飞时”（Tpd）的比值在5倍到8倍之间者，即该导线的行为即可称为传输线。PCB的传输线由信号线、参考层以及介质层共同组成。假设Tr为1 ns，Tpd快到200 ps，将其换算到FR-4板上实际的传输线约为3 cm，故当Tr为1 ns时，FR-4板线路超过3 cm时即进入传输线之体系。传输线体系中出现的任何缺口、针孔、凹陷、介质缺陷等，均将造成不良的传输效应[14][15]。甘平等[16]结合全电荷格林函数法与矩量法提取高速PCB传输线的分布，找出影响信号传输性能的各种参数，优化了信号的传输特性。A. Dounavis等[17]采用被动封闭形式模型仿真传输线的信号，控制了在高频条件下传输线传输信号的完整性。传输线的合理设计可减小反射、串扰与电磁干扰。

3 PCB工艺与信号完整性

将已设计的印制电路板通过工艺方法将其制作出来，并尽可能减小实物与设计的差异。选择正确的材料、制作与设计一致的传输线和过孔是印制电路板制作工艺对信号完整性影响的主要因素。

3.1 PCB材料对信号完整性的影响

PCB的制作材料对信号完整性有着重要的影响[18][19]。PCB板材是构成传输线的基础，信号通过时，传输线、参考平面与夹在二者之间的绝缘介质构成了电容器，从信号传输理论知道这个电容越小对信号完整性的影响越小，因此PCB板材的介电常数（εr）和介电损耗（tanδ）的大小会对信号传输产生影响。国内外对低εr、tanδ材料的研究已有很大进展，并已实施产业化，其代表有Nelco、Rogers、Isola、Panasonic等公司，国内的生益科技也有相关的产品。

制作印制电路板的主要材料还包括铜箔，其对高频信号的完整性也有着很大影响，高频信号会在表面粗糙的传输线上产生集肤效应，而且频率越高影响越大，选择低粗糙度铜箔可减小集肤效应对高频信号的影响[20]。

3.2 PCB制作工艺对信号完整性的影响

小孔、细线等新技术不断的被应用到高速印制电路板上[21]。PCB制作工艺对信号完整性的影响主要集中在铜面处理（前处理工艺）、传输线制作和过孔加工等三个方面。

前处理工艺涉及图形转移前铜面处理、多层板压合前铜面处理、阻焊前铜面处理、表面处理前铜面处理等过程，经过前处理后，铜箔表面粗化后均匀性受到不同程度破坏，高频信号传输时易产生集肤效应[17]。在工艺技术可接受的条件下，减少对铜面粗化的前处理工艺，当前研究的公开文献不多。

PCB前处理、贴膜/涂覆、曝光、显影、蚀刻和退膜等传输线制作工艺过程是将传输线的模拟设计转化成实物的重要环节。制作线宽、线距、线厚等几何结构与设计匹配一致的传输线，是传输线制作工艺的研究重点。近年来国内外针对传输线的精细化研究取得了较大进步，加成法工艺（含全加成和半加成）已经普遍应用，而激光直接成像、真空蚀刻等新技术也推广应用传输线制作。

过孔制作工艺随着近年来数控钻机和钻头技术的进步，越来越小的过孔设计成为现实，直径0.105 mm的过孔已被应用。过孔背钻技术既可改善又能节省成本，由于可以满足系统信号完整性的要求受到广泛应用。同轴过孔制作技术[10]的开发和其它过孔加工技术开发十分迫切。

4 PCB制作工艺的展望

国外在理论、工程实践和EDA软件方面对信号完整性研究逐步深入，而国内对信号完整性的研究也逐渐跟进。印制电路板的设计、仿真和印制电路板材料日趋成熟，但如何将设计良好的印制电路板制作出来，国内外的公开文献很少，结合当今PCB制作技术的现状，笔者认为保证信号完整性的情况下，PCB制作工艺技术尚存在难点包括：（1）开发出对传输线表面粗糙度影响小的前处理工艺，在传输线表面平滑的前提下还能保证多层板的层间结合力；（2）通过电磁仿真，研究降低传输线集肤效应对高频高速信号传输的损失；通过电磁仿真，研究与开发新的过孔结构，在不影响效率和兼顾产业化成本的前提下，减小过孔铜桩（Stub），从而减小高速信号传输的过孔反射损失。

5 结论

高速数字系统中，印制电路板的设计和制作工艺会影响高速传输的信号完整性，信号完整性问题成为高速系统实现的一个瓶颈。信号完整性问题的主要形式有反射、串扰与电磁干扰等。文中阐述了PCB过孔、传输线设计与制作PCB的材料、工艺技术对信号完整性的影响。

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