本文要點
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多板設計注意事項 |
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板間互連的性能要素 |
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3D PCB 設計的 EMI 問題 |
單塊 PCB 能夠實現的功能太多了：尺寸微型化以及單個晶片上能容納的電晶體數量不斷增加，這些趨勢都在挑戰物理極限。這種挑戰還延伸到了系統層面：電子系統設計的複雜性有增無減，因此多板 PCB 設計變得越來越有必要。
支援多板 PCB 系統設計需要克服一系列挑戰，尤其是 3D 空間中的零件組裝，因為維度不再由平面內的輪廓和擠壓出的 z 軸所約束。分區、電路板內的連接，以及 EMI 問題都在 3D PCB 設計中發揮重要作用。
單板或多板系統的 3D PCB 設計透過檢查散熱和機械約束來減少修改時間
2D 與 3D 電路板設計挑戰
| 2D | 3D | |
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散熱 |
電路板頂層和底層需要散熱；散熱設計需要利用許多貫孔和大面積銅皮，使熱量離開源頭。 |
對流可能會受到阻礙，具體取決於 3D 元件的結構。可能需要採用更主動的冷卻方法或增加外殼面積。 |
EMI |
攻擊者 / 受害者走線對只能分別出現在 x、y 平面和 z 軸上。如果有必要，應透過增加距離和包地來隔離高速和敏感走線。 |
走線可以向多個方向延伸，因此高速走線分組更加受限。要盡可能避免在連接器周圍或電路板邊緣處佈線。 |
3D PCB 設計的組件分區
從物理角度，分區是指將零件按照功能和附近的電路 (根據電路圖) 進行分組。可以將零件及其支援的電路看作一個功能子系統。例如，一塊主機板可以進一步劃分為幾個功能單元，如處理器時鐘邏輯、匯流排控制器、匯流排界面、記憶體、視頻/音訊處理模組，以及週邊設備 (I/O)。
點擊下方影片，觀看 RF 分區在設計中的應用：
*本影片可能錄製於產品使用者介面更新之前，也可能基於更早版本錄製；影片中的概念和工作流程仍適用於產品當前最新版本。
在多板 PCB 設計中，分區完成之後，可以將零件組擺放在不同的電路板上。有選擇性地擺放零件好處多多：
| EMC (電磁相容性) |
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透過最佳實踐減少 EMI 問題，如分離類比電路和數位電路、將高速訊號和上升時間訊號與周圍線路隔離、利用包地和增加縫合孔的方案。 | |
| 成本 |
對於需要採用更昂貴的多層電路板架構的功能電路，使用小型電路板與主電路板有助於降低成本。 | |
| 模組化 |
設計多種產品有助於節省時間和金錢，將模組化的標準化單元整合到系統中，根據需要為基本電路板增加功能 (如 Arduino 晶片組中的屏蔽層) 。 | |
| 外殼要求 |
考慮到設備外殼的物理尺寸和形狀，將所有電路擺放在單塊電路板上有時是不切實際的。 |
3D PCB 設計需要工程師發揮創造力，巧妙地將電壓和電流要求各不相同的多個零件整合到一個功能設計之中。
管理系統設計可以從確定電路板分區開始。
電氣系統設計和電路板內部連接
為電氣系統選擇連接器，不僅僅是根據生產預算選擇最佳連接器。連接器具有多個方面，在某些設計方案中，為了滿足特定的電源需求，連接器可以決定設計成敗。電路板內部的連接器是多板 PCB 設計的基石。讓我們簡要瞭解一下不同的板內連接器：
| 電路板到電路板 |
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公/母和接腳/插座接頭是目前最常見的板對板連接器類型。此類連接器價格低廉，並不是高速電路的理想之選。但是，可以透過增加接腳數量和使用多個接腳來處理更大的電流。一條經驗法則是：留意製造商每個接腳的額定電流處理能力。 | |
| 卡邊緣連接器 |
一塊電路板邊緣處的走線可插入另一塊電路板上的匹配插座，使兩塊電路板相互垂直。卡邊緣連接器通常用作主機板、背板或 riser 卡上的擴展插槽；PCI-e (週邊元件快速互連) 插槽就是一個很好的例子，它可以為電腦增加更多記憶體。耐腐蝕的金觸點可直接接觸電路板上的走線，是高速數位訊號電路的理想選擇。 | |
| 電路板到線束 |
在許多情況下，可能需要將電纜和電線連接到電路板上。伺服器機房特有的 FFC (軟性薄膜電纜)、FPC (軟性印刷電纜) 和帶狀連接器就是其中的典型示例。 | |
| 直接焊接 |
「城堡」形貫孔可用於創建易於焊接在一起的 PCB 模組。這種方法尤其適用於將小型無線模組連接到較大的電路板上。只需確保遵循高焊接標準，如 IPC-A-610 或 J-STD-001。 | |
| 軟性電路 |
軟性電路可增加成本和製造複雜性，同時兼具元件元件和線束的優點。軟性電路的延展性意味著它們可以更有效地填充外殼內狹小受限的三維空間。 |
無論是設計需要垂直堆疊 PCB，還是需要將電路板滑入機架或背板，都必須保持電路板之間的連接，這種連接既不能受鄰近線路訊號品質的影響，也不能對鄰近線路的訊號品質產生影響。
降低高速電路中的電磁干擾
EMC / EMI 問題是多板 PCB 設計的主要驅動因素之一。只要存在電量和天線，就會產生電磁干擾 (EMI)。隨著消費者對網路速度和頻寬的要求不斷提高，製造商需要不斷提高電子產品的性能，這意味著高速訊號電路將變得越來越普遍。
設備中有如此多的零件同時運行，必然會在多板系統中引發 EMI 問題。
多板設計為適應 EMI / EMC 最佳實踐提供了更多空間：將類比訊號和數位訊號分開，避免在狹窄的電路板上出現直角走線，以及根據需要使用多層電路板，提高經濟效益。同時，多板設計也帶來了新的問題，需要將分析範圍從單板擴展到電路板之間的連接和整個系統。
3D PCB 設計注意事項
多板設計就像一個昂貴的 3D 拼圖。組成系統的每塊電路板都必須安裝在一個物理外殼或主機殼中。最糟糕的情況莫過於：繪製了「完美」的 CAD 圖紙，採購了所有材料、零件和連接器，卻在組裝當天發現 3D 間隙不正確。更糟糕的是：沒有為適當通風留出足夠的空間，導致產品出現與熱有關的性能問題和老化問題。
幸運的是，設計人員可以借助專業的軟體工具跟蹤這些拼圖，採用整體性的方法進行多板 PCB 設計，對所有電路板、連接器、電纜、插座和其他結構進行訊號完整性分析。
Cadence Allegro PCB 設計工具 (如 3D Step Viewer) 支援複雜的子元件，即使在單板產品上也能確認外殼間隙，layout 團隊可以縮短最具挑戰性的 3D PCB 設計的周轉時間。
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原文出處
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譯文授權轉載出處 (Graser 偕同校閱)
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