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新聞動(dòng)態(tài)

高速背板PCB設(shè)計(jì)指南

2024.01.11

什么是背板？

背板可以用于將多個(gè)設(shè)備、模塊或電路板連接在一起，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)傳輸和控制功能。背板通常具有多個(gè)連接器，可以插入不同的模塊或電路板，并通過(guò)高速信號(hào)線或光纖進(jìn)行連接。

CompactPCI 背板

背板可以提供高帶寬、低延遲、可靠的連接，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

考慮到背板要承受高頻率、大容量的高速信號(hào)傳輸，因此背板PCB在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到電氣性能、機(jī)械性能、可靠性、散熱性能等多個(gè)方面，在制造時(shí)需要使用高性能的材料，采用高精度的加工工藝，以保證背板PCB能夠達(dá)到性能要求并且工作穩(wěn)定。

背板的板材選型及疊構(gòu)設(shè)計(jì)

背板的板材選型

背板通常采用FR4-TG170級(jí)別以上的板材，與一般的FR4-TG130相比，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度更高，耐燃性更好，通常選取介電常數(shù)ε(Dk)不大于4.4的板材，以減少信號(hào)間的串?dāng)_。

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高速板材選型

背板的疊層設(shè)計(jì)

背板PCB的疊層設(shè)計(jì)需要遵守以下原則：

疊層原則：在背板PCB中，通常包含有信號(hào)層、電源平面和地平面。地平面和電源平面可以為相鄰信號(hào)走線提供一個(gè)低阻抗的電流返回路徑。信號(hào)層應(yīng)位于電源或地參考平面層之間，構(gòu)成對(duì)稱帶狀線或非對(duì)稱帶狀線。

劃分電源域：背板上會(huì)有多種電源，如-48V、12V、3.3V等。需要根據(jù)每種電源的電流需求，確定該路電源的布線層數(shù)，同時(shí)電源平面需要和地平面緊密耦合，從而減少共模EMI干擾。

信號(hào)層：相鄰層信號(hào)線走線時(shí)，遵循垂直布線規(guī)則。高速信號(hào)走線的路徑中最好避免跨參考平面，如果必須跨參考平面，則需要在不同平面分割的間隙處放置旁路電容。從而保證信號(hào)線的阻抗連續(xù)，減少信號(hào)的反射和串?dāng)_。

地平面：在條件允許的情況下設(shè)置多個(gè)地平面，提供一個(gè)低阻抗的電流回流路徑?？梢钥紤]選取薄的PP來(lái)增加地平面與信號(hào)層或者地平面的耦合。

保持層疊對(duì)稱：疊層設(shè)計(jì)時(shí)盡量讓信號(hào)層、電源層和地平面層對(duì)稱，如果出現(xiàn)信號(hào)層對(duì)應(yīng)電源層或地平面層的情況，應(yīng)在信號(hào)層沒(méi)有信號(hào)走線的區(qū)域覆蓋地銅，從而盡量保證對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以免加工過(guò)程發(fā)生翹曲。

16層背板的疊層設(shè)計(jì)如下：

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大電流背板的疊層設(shè)計(jì)

有些背板除了需要考慮多種類型的型號(hào)線走線之外，還承載著給各個(gè)業(yè)務(wù)板卡供電的功能。比如OpenVPX 背板，需要承載多種電壓的總電流高達(dá)100A。

此時(shí)需要使用多個(gè)電源平面來(lái)滿足電流的需求，可以選擇使用分段策略，在同一層內(nèi)將電源平面與與高速信號(hào)線區(qū)域分開(kāi)布線，如下圖所示。

如果PCB的層數(shù)允許，使用地平面將各個(gè)電源層隔開(kāi)，在保證信號(hào)線有良好參考平面的同時(shí)，能夠保障整個(gè)PCB具有良好的屏蔽性。

背板的關(guān)鍵信號(hào)走線

背板存在3類信號(hào)線：時(shí)鐘總線、管理總線和高速信號(hào)線。

時(shí)鐘總線

時(shí)鐘總線信號(hào)均為差分信號(hào)，如M-LVDS電平的多點(diǎn)低電壓差分信號(hào)，可以使多個(gè)驅(qū)動(dòng)器或接收器共享同一個(gè)物理鏈路，時(shí)鐘總線設(shè)計(jì)遵循以下原則：

時(shí)鐘總線源端及末端就近擺放100Ω端接電阻，最大限度地吸收反射信號(hào)。
時(shí)鐘總線的走線長(zhǎng)度不能超過(guò)芯片的驅(qū)動(dòng)能力。
時(shí)鐘總線經(jīng)過(guò)的過(guò)孔盡量不要超過(guò) 2 個(gè)，減少過(guò)孔帶來(lái)的寄生電容，過(guò)孔附近就近打接地過(guò)孔，為交流信號(hào)提供最短的回流路徑，每個(gè)過(guò)孔的出現(xiàn)都會(huì)使信號(hào)阻抗出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。
時(shí)鐘總線間距需采取3W原則，最大程度地減少信號(hào)間的串?dāng)_。
總線的走線需伴隨有完整的參考平面，保證總線信號(hào)回流路徑最短，同時(shí)特征阻抗不會(huì)發(fā)生突變。
差分線的特征阻抗為100Ω。

管理總線

管理總線信號(hào)均為單端信號(hào)，物理接口形式為I2C，管理總線設(shè)計(jì)遵循以下原則：

管理總線源端及末端采用就近端接上拉4.7K電阻，提高總線的驅(qū)動(dòng)能力并吸收一部分反射。
管理總線的走線長(zhǎng)度不能超過(guò)芯片的驅(qū)動(dòng)能力。
單端信號(hào)線的特征阻抗設(shè)計(jì)為65Ω。

高速信號(hào)線

高速信號(hào)線主要是業(yè)務(wù)板和交換板之間的數(shù)據(jù)交換總線和友鄰業(yè)務(wù)板之間的數(shù)據(jù)總線，均為高速差分信號(hào)線，高速信號(hào)線遵循以下設(shè)計(jì)原則：

差分線經(jīng)過(guò)的過(guò)孔盡量不要超過(guò) 2個(gè)，減少由過(guò)孔帶來(lái)的寄生電容，并在過(guò)孔附近就近打接地過(guò)孔，為交流信號(hào)提供最短的回流路徑。
差分線需和其他網(wǎng)絡(luò)間距采取3W原則，最大程度減少串?dāng)_。
差分線的走線需伴隨完整的參考平面，保證總線信號(hào)回流路徑最短及特征阻抗不發(fā)生突變。
差分線對(duì)采用嚴(yán)格等長(zhǎng)的走線方式，保證差分線對(duì)內(nèi)信號(hào)時(shí)序穩(wěn)定。
差分線的特征阻抗設(shè)計(jì)為100Ω。

連接器的壓接與過(guò)孔背鉆

背板連接器的壓接

隨著電子封裝、元件和系統(tǒng)向微型化、高密度的方向發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高，連接器逐漸向微間距，多排插針，高密度的方向發(fā)展。普通的焊接型連接器已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，逐漸被壓接型連接器所替代。壓接連接的失效率要比普通電烙鐵焊接（無(wú)熱沖擊、熱損傷）低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

壓接工藝是在常溫下將柔性或硬性插針與印制板金屬化孔配合而形成的一種連接，依靠金屬之間的相互作用，在插針與金屬化孔之間形成類似于原子熔融狀態(tài)的緊密接觸，實(shí)現(xiàn)連接器和印制板導(dǎo)線之間機(jī)械和電氣連接。

過(guò)孔背鉆

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)好背板，在機(jī)箱里面和業(yè)務(wù)板跑業(yè)務(wù)測(cè)試出現(xiàn)速率跑不上去或者更嚴(yán)重的丟包問(wèn)題時(shí)，我們往往會(huì)關(guān)注業(yè)務(wù)板與背板之間的連接器，導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。但大多時(shí)候，阻抗的不連續(xù)實(shí)際源自過(guò)孔。

電鍍通孔(PTH)會(huì)讓給高速信號(hào)帶來(lái)抖動(dòng)、衰減，產(chǎn)生更高的誤碼率。信號(hào)速率越高，電鍍通孔(PTH)帶來(lái)的信號(hào)失真越大。PTH過(guò)孔在6.25Gb/s時(shí)的失真通常比在3.125Gb/s時(shí)產(chǎn)生的失真大兩倍以上。

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