無源元件并不是真的那么無源（第 3 部分）：印刷電路板

摘要： 晶體管和集成電路等有源元件使用來自電源的能量來改變信號(hào)。然而，電阻器、電容器、電感器和連接器等無源元件實(shí)際上可以并且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)。發(fā)生這種情況是因?yàn)樗羞@些無源元件都包含寄生元件。本應(yīng)用筆記是 3 部分系列的最后一篇，討論了印刷電路板以及由于無源元件實(shí)際上并非如此無源而可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

另請(qǐng)參閱：
無源元件并非真的那么無源
第 1 部分：電容器
第 2 部分：電阻器

有時(shí)隱藏某些東西的最好方法是在明顯的視野中。魔術(shù)師使用這種技術(shù)和一些分散注意力的方法來讓觀眾驚嘆（圖 1）。其實(shí)很簡(jiǎn)單：我們的經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)我們期待某些規(guī)范并看到我們所期待的。因此，盒子是方形的，而不是擠壓的平行四邊形；球體是對(duì)稱的，不是半球體，也不是在看不到的背面有細(xì)長(zhǎng)部分。在同樣的意義上，印刷電路板 (PCB) 看起來很簡(jiǎn)單。你認(rèn)為你可以看到正在發(fā)生的一切，但實(shí)際上你只是在看外表面上的電路。事實(shí)上，如果你深入到電路板本身，你會(huì)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的層和結(jié)構(gòu)以及無數(shù)可能出錯(cuò)的地方。當(dāng)高精度運(yùn)算放大器和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無法按預(yù)期運(yùn)行時(shí)，我們需要仔細(xì)檢查所有周圍的有源和無源元件，包括 PCB。

本文是 IC 中無源元件系列文章的第 3 部分。在第 1 部分中，我們討論了電容器。在第 2 部分中，我們研究了電阻器并解釋說它們不是看似簡(jiǎn)單、良性的無源器件。在第 3 部分中，我們將討論通常隱藏或至少偽裝的 PCB 缺陷和錯(cuò)誤如何將被動(dòng)錯(cuò)誤引入 IC 性能。

要了解 PCB 如何引入被動(dòng)錯(cuò)誤，我們必須首先檢查典型電路板的組成。四個(gè) PCB 問題示例以及解決這些隱藏錯(cuò)誤的努力將幫助我們了解一個(gè)優(yōu)秀可靠的 PCB 供應(yīng)商對(duì)成功產(chǎn)品的貢獻(xiàn)。

我們?cè)谶@里承認(rèn)，我們關(guān)于被動(dòng)的文章已經(jīng)引發(fā)了一些關(guān)于“被動(dòng)”定義的熱烈討論。在我們尋找更多知識(shí)和消息靈通的工程師的過程中，我們對(duì)此感到非常高興。

圖 1. 魔術(shù)師和他的助手通過分散注意力來幫助“推銷”幻覺。

讓我們看看我們查看圖 1 的程度和仔細(xì)程度。您注意到 PCB 組裝了嗎？是的？不？它就在女人左側(cè)的陰影中。是的，我們看到了我們期望看到的。當(dāng)我們檢查 PCB 時(shí)也是如此。當(dāng)您直接查看典型電路板時(shí)（圖 2），您會(huì)看到什么？

如果您像我們大多數(shù)人一樣，我們會(huì)看到一個(gè)以太網(wǎng)連接器，另一個(gè)帶有“設(shè)置傳感器”、“UPS 數(shù)據(jù)”和“RS-232”標(biāo)簽的 RJ-45 連接器。我們看到一個(gè)用于開關(guān)電源的電感器和電解電容器、幾個(gè)大規(guī)模集成電路 (IC) 和一堆去耦電容器。將所有這些放在一起，它可能是一個(gè)具有多種選擇的數(shù)字板，因?yàn)槲覀冞€可以看到未填充的組件。正確的？是的，但我們并沒有真正看到裸露的 PCB 本身，這就是故事的開始。

正如我們?cè)谝婚_始所說的那樣，像 PCB 這樣復(fù)雜的東西可能會(huì)出現(xiàn)無數(shù)問題。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一個(gè)好的、可靠的 PCB 供應(yīng)商現(xiàn)在對(duì)我們來說非常重要。材料、FR4 中的編織密度、聚合物、通孔結(jié)構(gòu)、給定蝕刻方法的最小走線結(jié)構(gòu)、鍍錫板和阻焊層選擇有很多選擇。我們可能會(huì)指定一種很難找到的 FR4（一種常見的玻璃纖維 PCB）材料，因?yàn)槲覀兏矚g它，但缺乏可用的 FR4 材料可能會(huì)延遲生產(chǎn)，甚至?xí)闺娐钒宄杀痉丁Ｎ覀兪苋俗鹁吹?PCB 供應(yīng)商將了解資源、可用的通孔構(gòu)造方法或?yàn)槲覀兊膽?yīng)用推薦的組裝方法。這種關(guān)系絕對(duì)沒有什么被動(dòng)的。當(dāng)我們告訴供應(yīng)商我們關(guān)心電路板質(zhì)量時(shí)，

是的，板子——你從玻璃纖維開始。頂層和底層（通常是工業(yè)類型的 FR4）在 PCB 外部有銅。中間層是銅，兩面都是FR4，因此包括兩個(gè)內(nèi)部導(dǎo)電層。預(yù)浸料實(shí)際上是將堆棧粘合在一起的膠水；它可以只是粘合劑，也可以是 FR4 玻璃纖維和熱固性粘合劑的組合。在制造過程中，圖 3中的疊層將在熱和壓力下被壓縮以將各層粘合在一起。

圖 3. 是典型的四層 PCB 疊層。

構(gòu)造順序可能因許多事情而異。我們最喜歡的參考資源，大多數(shù)工程師稱之為“PC 圣經(jīng)”的手冊(cè)，出自 Coombs。1他詳細(xì)介紹了 PCB 制造工藝，概述了數(shù)百種變化和可能性。就在您被徹底嚇倒時(shí)，您會(huì)進(jìn)入附錄。附錄中的知識(shí)非常豐富，列出了與所有 PCB 有關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它帶您從包括表面貼裝、通用和無源元件在內(nèi)的元件，到印制板、材料、設(shè)計(jì)活動(dòng)，再到元件安裝和焊接，并通過質(zhì)量評(píng)估、測(cè)試方法和維修。在這一點(diǎn)上，我們開始欣賞和理解為什么我們需要最好的電路板供應(yīng)商來指導(dǎo)和建議我們。

盡管如此，董事會(huì)確實(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，而且似乎總是在確定的截止日期之前發(fā)生。下面的四個(gè) PCB 示例發(fā)生在對(duì)裸板進(jìn)行針床測(cè)試之前，或者為了節(jié)省時(shí)間而取消了該測(cè)試之后——這總是會(huì)懲罰我們的不良做法。你能猜出我們?cè)诿總€(gè)例子中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤嗎？

示例 1：過度蝕刻
我們收到 PCB 并組裝了六塊板。奇怪的是，董事會(huì)都有不同的問題。通常，當(dāng)您修復(fù)一塊板時(shí)，相同的修復(fù)適用于所有板。但這次不是，這是理解問題的關(guān)鍵。

我們發(fā)現(xiàn)一些錯(cuò)誤是使隨機(jī)事物短路的微小銅片。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)電路性能存在巨大的“無源”問題（至少我們通常認(rèn)為 PCB 是無源的）。沒有任何電路可以與幾十個(gè)隨機(jī)短路一起工作。因?yàn)檫@些短褲是隨機(jī)的并且在每塊板上都不同，所以這是故障排除的噩夢(mèng)。我們對(duì) PCB 進(jìn)行了切片并在顯微鏡下觀察。電路板被過度蝕刻，如圖 4所示。

圖 4. 帶有過度蝕刻的薄銅邊緣的 PCB 部分，這些邊緣會(huì)斷裂成細(xì)長(zhǎng)的碎片并與相鄰的走線短路。

圖 4A 在光刻膠下具有平坦的側(cè)面。如果化學(xué)成分和溫度不正確，或者電路板在蝕刻溶液中的時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)在“拐角處”蝕刻掉銅（圖 4B）。長(zhǎng)而細(xì)的碎片會(huì)折斷頂部邊緣，在一端保持連接，并與相鄰的走線短路。

仔細(xì)觀察我們的電路板，我們看到兩個(gè)呈 90 度角的磨擦劃痕圖案。供應(yīng)商使用了帶有嵌入磨料的聚合物砂輪。他們?cè)噲D通過在每側(cè)兩次磨削板來擦掉碎片。他們確實(shí)移除了大部分碎片，但隨后他們對(duì)電路板進(jìn)行了焊接涂層，這使得剩余的碎片成為固體隨機(jī)短褲。添加阻焊層隱藏了短褲和大多數(shù)磨痕。

示例 2：方向
我們收到一塊帶有阻焊層和頂部絲印的雙面 PCB，并用通孔部件手工組裝了一塊電路板。沒有任何效果。我們對(duì)所謂的無源 PCB 有一個(gè)嚴(yán)重的問題：所有三個(gè)電源都在多個(gè)地方短路。沒有任何意義；幾十個(gè)電路塊根本沒有一個(gè)起作用。技術(shù)人員嘗試了，但最終還是打電話給工程師尋求幫助。

技術(shù)人員設(shè)法以一些奇怪的方式插入零件。例如，通常在絲印輪廓中形成三角形的晶體管的三個(gè)引線被扭曲和扭曲。仔細(xì)觀察阻焊層下方，我們發(fā)現(xiàn)絲印和電路板底部方向正確，但電路板頂部元件銅側(cè)是鏡像。當(dāng)阻焊劑曝光時(shí)，用于制作正面圖像的薄膜是顛倒的。

示例 3：找到您的方式
我們收到了與上述示例 2 相同的四層板，但存在類似問題。再次，許多跡線連接到錯(cuò)誤的東西，電源在多個(gè)地方短路，并且沒有任何東西（沒有電路塊）起作用。通常當(dāng)出現(xiàn)電路板錯(cuò)誤時(shí)，至少有一些電路起作用。我們已經(jīng)實(shí)施了完整的釘床測(cè)試，當(dāng)它沒有發(fā)現(xiàn)問題時(shí)感到很困惑。然后我們發(fā)現(xiàn)采購(gòu)部門跳過了釘床測(cè)試以加快電路板交付。那次測(cè)試會(huì)為我們節(jié)省幾天的精力。浪費(fèi)的時(shí)間是一個(gè)代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

我們發(fā)現(xiàn)電路板層的組裝順序錯(cuò)誤。許多盲孔連接到錯(cuò)誤的層。因此，我們添加了一個(gè)邊緣代碼（圖 5），以便我們可以檢查電路板。

圖 5. 右側(cè)帶有交錯(cuò)邊緣代碼的 PCB 銅層。

實(shí)現(xiàn)代碼后，我們可以快速檢查板層順序，避免浪費(fèi)時(shí)間在板上填充組件。

圖 5 的代碼延伸到 PCB 的邊緣。電路板通常在由許多較小 PCB 制成的較大面板中制造，以簡(jiǎn)化制造過程中的處理。使用路由器將各個(gè)板分開，從而將圖 5 代碼暴露在板的邊緣。顯微鏡可以讓我們測(cè)量銅間距，看看它是否符合電路板規(guī)格。這向我們保證了帶狀線將是正確的阻抗。

示例 4：正確的厚度，但不是正確的答案
我們收到了一塊四層板。大部分都有效，但帶狀線有巨大的振鈴和反射。帶狀線相當(dāng)于嵌入 PCB 的同軸電纜。同軸電纜是絕緣電介質(zhì)內(nèi)的中心導(dǎo)體，周圍有圓形接地屏蔽。除了屏蔽信號(hào)免受外部污染外，同軸電纜和帶狀線還提供了一個(gè)已知的阻抗信號(hào)路徑，當(dāng)終止于其特征阻抗時(shí)，它不會(huì)反射能量。如果 PCB 構(gòu)造不當(dāng)，阻抗變化會(huì)導(dǎo)致反射和振鈴，從而破壞模擬信號(hào)，甚至?xí)煜龜?shù)字信號(hào)。

對(duì)電路板進(jìn)行切片使我們能夠測(cè)量各層的厚度。我們發(fā)現(xiàn)PCB供應(yīng)商缺少一些厚度的板材料。他們未經(jīng)培訓(xùn)的員工試圖滿足我們的交貨期限，并從庫(kù)存中替換了額外的預(yù)浸料層，從而使總厚度正確。這聽起來像是一個(gè)很好的“修復(fù)”，但絕對(duì)不是這樣?；仡^看看圖 4。假設(shè)兩面都有銅的中心層被更薄的材料代替。由于電介質(zhì)更薄，這兩層之間的電容會(huì)增加。為了保持布局和最終板的總厚度相同，我們可以通過增加上部預(yù)浸層厚度來進(jìn)行補(bǔ)償。這將降低頂部銅和中心最近的銅層之間的電容。但是請(qǐng)注意，這也假設(shè)預(yù)浸料在兩種情況下具有相同的介電常數(shù)，這可能不是真的。因此，電容的變化會(huì)改變 PCB 和帶狀線阻抗，我們所謂的“無源”PCB 現(xiàn)在正在響鈴。您可以說“再見”以表示完整性。

顯然，一個(gè)看不見的、理所當(dāng)然的、隨心所欲的 PCB 對(duì)精密電路性能產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。此外，我們不能認(rèn)為任何事情都是理所當(dāng)然的，也不能假設(shè)無源 IC 問題與 PCB 本身無關(guān)。由不良 PCB 引起的常見 IC 性能問題和錯(cuò)誤包括接地過孔、平面或箔中的電壓降和阻抗；抗?jié)B漏性和吸濕性；和雜散電容，具有受歡迎的介電吸收或浸泡。

電壓
降 接地過孔、平面或箔中的電壓降是一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題。使問題更加復(fù)雜的是，直流和高頻電壓降需要不同的補(bǔ)救措施?；貞浺幌?Coombs 手冊(cè)，第2章第 10 章的跡線與電容和串?dāng)_，第 13 章的電壓和接地銅厚度與薄層電阻。對(duì)于通過阻抗，我們期待 Sayre：3

L = 5.08h [ln (4h/d) + 1]

其中：
L = 通孔的電感，nH
h = 通孔的長(zhǎng)度，英寸
d = 通孔的直徑，英寸

使用 h = 0.0625 英寸和 d = 0.020 英寸可以得到 0.666μH 的過孔電感。我們?cè)鯓硬拍軠p少這種電感？平行放置兩個(gè)、四個(gè)或更多過孔。

這是一個(gè)很好的一階近似，在考慮幾百兆赫以下的信號(hào)完整性時(shí)很有用。有關(guān)當(dāng)前返回路徑的更多細(xì)節(jié)和考慮，我們轉(zhuǎn)向霍華德·W·約翰遜和他的“黑魔法”系列。4

泄漏電阻
PCB 的泄漏電阻5會(huì)干擾敏感的高阻抗電路。泄漏的來源包括層壓材料選擇不當(dāng)、指紋、皮膚油脂、人的呼吸、殘留的制造化學(xué)品、清潔不當(dāng)?shù)暮竸┮约氨砻嫠趾蜐穸?。如果這對(duì)您的電路來說是個(gè)問題，請(qǐng)考慮表面和表面下的污染和吸濕現(xiàn)象無處不在，無論是在阻焊層之上、之中還是之下；在保形涂層之上、之中或之下；在主動(dòng)或被動(dòng)元件上或之中。

在對(duì)現(xiàn)有 PCB 進(jìn)行故障排除時(shí)，請(qǐng)記住一位經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師通過蘇打吸管在板上吹氣。吸管定位水分以幫助識(shí)別敏感區(qū)域。用適當(dāng)?shù)娜軇氐浊鍧嶋娐钒搴苤匾?。錯(cuò)誤的溶劑，例如用極性溶劑清洗水溶性助焊劑，可能會(huì)在板上留下鹽分。如果用去離子水清洗電路板，請(qǐng)烘烤電路板使其干燥。即使是現(xiàn)在，你可能還沒有完成。即使是最干凈的電路板也可能會(huì)引起問題。具有非常敏感電路的 PCB，例如具有高阻抗輸入和高增益的運(yùn)算放大器，可能需要額外注意?？赡苄枰褂门c受保護(hù)引腳的直流電平相匹配的驅(qū)動(dòng)低阻抗電路來保護(hù)或包圍所有電路板層上的敏感引腳。6

雜散電容
電容通常是雜散且不可避免的問題。它降低了帶寬并減慢了高速信號(hào)。當(dāng)介電吸收或浸水7導(dǎo)致掛鉤、轉(zhuǎn)換速率錯(cuò)誤或欠沖/過沖時(shí)，這是很糟糕的。然而，當(dāng)它是高頻電源去耦時(shí)，電容是受歡迎的。我們可以在電源層和接地層之間指定比普通電介質(zhì)更薄的電介質(zhì)（甚至是薄的 FR4）來增加電容。小于 10pF 的分立電容器（表面貼裝時(shí)在 ~2GHz 下自諧振）很容易受到走線和過孔電感的影響。如果電容分布在電源層和接地層之間，它具有低串聯(lián)電感，并且如果我們有一個(gè)“黃金”優(yōu)秀的 PCB 供應(yīng)商，它是可重復(fù)的。

讓我們回想一下我們打開魔術(shù)師的神秘盒子，里面有隱藏的技巧。我們期待某些規(guī)范，看看我們期待什么。當(dāng)談到 PCB 中的潛在問題時(shí)，我們根本不能那么盲目。電路板的制造和組裝遠(yuǎn)比普通檢查員想象的要復(fù)雜得多，在這種復(fù)雜性中存在潛在的 PCB 缺陷和錯(cuò)誤?，F(xiàn)在，對(duì)于我們的討論來說最重要的是，這些缺陷和錯(cuò)誤會(huì)在 IC 中引入被動(dòng)錯(cuò)誤。我們只檢查了電壓降、漏電流和雜散電容，但潛在的無源錯(cuò)誤列表確實(shí)更長(zhǎng)。解決這些被動(dòng)問題不可避免地意味著修復(fù) PCB，每種情況都需要自己的解決方案。最后，在這種情況下，我們都可以欣賞到優(yōu)秀可靠的 PCB 供應(yīng)商對(duì)我們成功產(chǎn)品的貢獻(xiàn)。