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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許裕隆
研究生(外文):Yu-Lung Hsu
論文名稱:高速電路板佈線方法之研究
論文名稱(外文):The Study of High-Speed Printed Circuit Board Layout Design
指導教授:張茂林張茂林引用關係
指導教授(外文):Molin Chang
學位類別:碩士
校院名稱:清雲科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
中文關鍵詞:高速電路板球格狀陣列封裝串音反射地電位彈跳同電源完整性信號完整性高速電路板球格狀陣列封裝串音反射地電位彈跳
外文關鍵詞:Power Integrity、Signa1 Integrity、BGA、SSN、Crosstalk、Reflection
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電路板的目的,為裝載各樣元件的基板,讓晶片內部的電源及信號經由電路板的連接形成一個電子系統,並保護元件免於受其它外力的影響。
隨著電子產品朝輕巧易攜帶的方向發展,當IC的I/O引腳或接腳數不斷的增加、體積愈來愈小,使得電路板的佈線密度越來越緊密,電路板上線與線之間的距離更加靠近,因此要能設計出一個有高品質的高速電路板,不論是信號完整性(Signa1 Integrity)或是電源完整性(Power Integrity)普遍都受到大家的關注。不當的佈線設計,會使得電路板干擾的問題越來越嚴重,進而影響到數位邏輯及其他電路的信號,所以在設計電路板時這兩個問題應該都要考慮,因此電路板的佈線方法成為必須面對的重要課題之ㄧ
我們以電路板佈線方法的探討為主要目標,其中有些佈局方法會進一步以模擬軟體作分析及驗證。希望藉由對各種佈線方法的分析及歸納能有系統地提出有用的佈線原則。
The purpose of a printed circuit board is to load microchip and various electric components in such a way that an electronic system with power source and signal processing capability constructed on board can be functioned as expected. The Printed circuit board also serves to protect the circuit from external mechanical disturbances.
With the development of electronic devices toward easier in portability and lighter in weight, the pin numbers of integrated circuit (IC) has kept increasing and the volume of IC has kept decreasing, which make the distance between conduction lines more closer and the layout of Printed circuit more tighten. Improper layout design will introduce serious signal interference problems, which further influence other signals from logic circuits. Facing the challenges from high speed layout of high density Printed circuit board, a good layout method must consider the perspectives of signal integrity and power integrity, which have been the major concerns in layout architecture.
This thesis focuses on the investigation of PCB layout methods. Software simulation is adopted in some of the layout methods for analysis and verification purposes. The research result will be useful for these who are interested in in-depth understanding and selection of layout methods.
中文摘要……………………………………………………………………………… i
英文摘要……………………………………………………………………………… ii
誌謝…………………………………………………………………………………… iii
目錄…………………………………………………………………………………… iv
表目錄………………………………………………………………………………… ix
圖目錄………………………………………………………………………………… x
第一章 緒論 ………………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景與動機…………………………………………………………… 1
1.2 研究目的…………………………………………………………………… 2
1.3 論文架構…………………………………………………………………… 3
第二章 印刷電路板 ………………………………………………………………… 5
2.1 印刷電路板的歷史………………………………………………………… 5
2.2 台灣電路板產業發展進程………………………………………………… 6
2.3 印刷電路板的構造………………………………………………………… 7
2.4 印刷電路板的種類………………………………………………………… 8
2.5 基板(Substrate)………………………………………………………… 12
2.5.1 介電質樹脂(Dielectric Resin)…………………………………… 13
2.5.2 玻璃纖維(Fiberglass)……………………………………………… 14
2.5.3 銅箔(Copper foil)………………………………………………… 14
2.6 發展趨勢…………………………………………………………………… 15
2.7 封裝………………………………………………………………………… 18
2.7.1 DIP元件……………………………………………………………… 20
2.7.2 SIP元件……………………………………………………………… 21
2.7.3 SOP元件……………………………………………………………… 21
2.7.4 SOJ元件……………………………………………………………… 22
2.7.5 PGA元件…………………………………………………………… 22
2.7.6 PLCC元件…………………………………………………………… 23
2.7.7 QFP元件……………………………………………………………… 23
2.7.8 FC元件……………………………………………………………… 24
2.7.9 BGA元件…………………………………………………………… 25
2.8 BGA(Ball Grid Array)…………………………………………………… 26
2.8.1 BGA連接方式……………………………………………………… 26
2.8.2 BGA的分類………………………………………………………… 28
A. PBGA(Plastic BGA)…………………………………………………… 28
B. CBGA(Ceramic BGA)………………………………………………… 28
C. TBGA(Tape BGA)……………………………………………………… 29
D. MBGA(Metal BGA)…………………………………………………… 30
第三章 印刷電路板的製作…………………………………………………………… 31
3.1 PCB佈局的流程…………………………………………………………… 31
3.2 PCB製程介紹……………………………………………………………… 32
3.3 PCB製程上容易遭遇問題………………………………………………… 35
3.3.1 曝光製程的問題…………………………………………………… 36
3.3.2 蝕刻製程的問題…………………………………………………… 37
3.3.3 鑽孔製程的問題…………………………………………………… 38
3.3.4 產線傳送過程的問題……………………………………………… 38
3.4 PCB的製程品管…………………………………………………………… 39
第四章 PCB電性問題探討…………………………………………………………… 42
4.1 等效模型…………………………………………………………………… 42
4.1.1 高速的定義………………………………………………………… 42
4.1.2 四種電性等效模型………………………………………………… 43
4.2 傳輸線基本理論…………………………………………………………… 46
4.2.1 傳輸線的定義……………………………………………………… 46
4.2.2 傳播延遲(Propagation delay)……………………………………… 47
4.2.3 特徵阻抗(Characteristic Impedance)……………………………… 48
4.2.4 微帶線(Microstrip)和帶狀線(Strip line)……………………… 48
4.2.5 集膚效應 (Skin Effect)…………………………………………… 49
4.3 信號完整性SI (Signal Integrity)……………………………………… 50
4.3.1 時序(Timing)……………………………………………………… 50
4.3.2 反射(Reflection)…………………………………………………… 52
4.3.2.1 反射現象………………………………………………………… 52
4.3.2.2 反射的幾種特殊情況…………………………………………… 53
4.3.3 串音(Crosstalk)…………………………………………………… 55
4.3.3.1驅動線及受擾線………………………………………………… 56
4.3.3.2互感(Mutual Inductance)和互容(Mutual Capacitance)…… 56
4.3.3.3電感矩陣(Inductance Matrix)和電容矩陣和互容(Capacitance Matrix)…………………………………………………………
57
4.3.3.4近端串音和遠端串音…………………………………………… 58
4.3.4 影像面(Image Planes)……………………………………………… 60
4.3.5 非理想回返路徑(Nonideal Return Path)…………………………… 61
4.4 電源完整性PI(Power Integrity)………………………………………… 62
4.4.1 地電位彈跳(Ground Bounce)……………………………………… 62
4.4.2 同時切換雜訊(Simultaneous Switching Noise,SSN)……………… 63
4.4.3 佈局方法與電性問題的關聯……………………………………… 64
第五章 研究方法與模擬分析結果…………………………………………………… 65
5.1 研究方法…………………………………………………………………… 65
5.1.1 電路模型(Circuit Model)………………………………………… 65
5.1.2 模擬分析流程……………………………………………………… 66
5.1.3 Package模擬分析流程……………………………………………… 66
5.1.4 PakSi-E……………………………………………………………… 69
5.1.5 PakSi-E操作說明…………………………………………………… 69
5.1.6 研究的方向………………………………………………………… 72
5.2 反射現象的探討及消除的方法…………………………………………… 73
5.2.1 阻抗不匹配引起的反射現象……………………………………… 73
5.2.2 線寬的影響………………………………………………………… 78
5.2.3 上升時間的影響…………………………………………………… 82
5.2.4 佈線彎角…………………………………………………………… 84
5.2.5 佈線拓樸與反射的關聯…………………………………………… 87
5.2.6 消除反射的方法…………………………………………………… 88
A. 串聯終端……………………………………………………………… 89
B. 並聯終端……………………………………………………………… 90
C. 戴維寧終端(Thevenin’s Termination)………………………………… 91
D. 二極體終端…………………………………………………………… 92
E. AC並聯終端…………………………………………………………… 92
5.3 串音現象的探討及處理對策……………………………………………… 93
5.3.1 傳輸線間距的影響………………………………………………… 93
A. 寄生效應RLCG分析………………………………………………… 96
B. 時域分析……………………………………………………………… 96
5.3.2 3-W法則……………………………………………………………… 99
5.3.3 其它減少串音之方法……………………………………………… 101
5.4 非理想回返路徑的探討及改善方法……………………………………… 102
5.4.1 最小的回返路徑…………………………………………………… 102
5.4.2 Slot效應……………………………………………………………… 103
5.4.3 信號換層-使用導通孔……………………………………………… 103
5.4.4 非理想回返路徑的改善…………………………………………… 105
A. 去耦合電容…………………………………………………………… 105
B. 改善Slot的影響………………………………………………………… 105
C. 信號換層的改善……………………………………………………… 105
D. 隔離和分區(壕溝)…………………………………………………… 105
5.5 電源完整性的整理及改善的方法………………………………………… 107
5.5.1 地電位彈跳(Ground Bounce)……………………………………… 107
5.5.2 分區隔離(Area Partitioning)……………………………………… 107
5.5.3 平面分割(Plane Division)………………………………………… 108
5.5.4 電源完整性的改善………………………………………………… 109
5.5.4.1電源完整性的改善方法………………………………………… 109
A. 地電位彈跳的消除…………………………………………………… 109
B. 分區隔離的處理方法………………………………………………… 110
C. 平面分割……………………………………………………………… 110
5.6 連接器的設置及修整方法……………………………………………… 110
5.7 蛇行線(Serpentine Trace)……………………………………………… 111
5.8 其他可改善電性的佈局方法……………………………………………… 112
5.8.1 介電材料…………………………………………………………… 112
A. 損耗正切角…………………………………………………………… 113
B. 厚度…………………………………………………………………… 115
5.8.2 屏蔽(Shielding)…………………………………………………… 117
5.8.3 堆疊的考量………………………………………………………… 118
5.8.4 20-H法則…………………………………………………………… 119
5.8 接地腳之間的距離-長寬比……………………………………………… 120
第六章 結論………………………………………………………………………… 122
參考文獻……………………………………………………………………………… 124
簡歷…………………………………………………………………………………… 127
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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