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。然而，電阻器、電容器、電感器和連接器等無源元件實際上可以并且確實以意想不到的方式改變信號。發(fā)生這種情況是因為所有這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際上并非如此無源而可能發(fā)生的錯誤。

另請參閱：
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）。其實很簡單：我們的經(jīng)驗引導(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；球體是對稱的，不是半球體，也不是在看不到的背面有細長部分。在同樣的意義上，印刷電路板 (PCB) 看起來很簡單。你認為你可以看到正在發(fā)生的一切，但實際上你只是在看外表面上的電路。事實上，如果你深入到電路板本身，你會發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的層和結(jié)構(gòu)以及無數(shù)可能出錯的地方。當高精度運算放大器和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無法按預(yù)期運行時，我們需要仔細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 缺陷和錯誤如何將被動錯誤引入 IC 性能。

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

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

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。當我們檢查 PCB 時也是如此。當您直接查看典型電路板時（圖 2），您會看到什么？

如果您像我們大多數(shù)人一樣，我們會看到一個以太網(wǎng)連接器，另一個帶有“設(shè)置傳感器”、“UPS 數(shù)據(jù)”和“RS-232”標簽的 RJ-45 連接器。我們看到一個用于開關(guān)電源的電感器和電解電容器、幾個大規(guī)模集成電路 (IC) 和一堆去耦電容器。將所有這些放在一起，它可能是一個具有多種選擇的數(shù)字板，因為我們還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。

正如我們在一開始所說的那樣，像 PCB 這樣復(fù)雜的東西可能會出現(xiàn)無數(shù)問題。經(jīng)驗告訴我們，一個好的、可靠的 PCB 供應(yīng)商現(xiàn)在對我們來說非常重要。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。我們可能會指定一種很難找到的 FR4（一種常見的玻璃纖維 PCB）材料，因為我們更喜歡它，但缺乏可用的 FR4 材料可能會延遲生產(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)造方法或為我們的應(yīng)用推薦的組裝方法。這種關(guān)系絕對沒有什么被動的。當我們告訴供應(yīng)商我們關(guān)心電路板質(zhì)量時，

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，因此包括兩個內(nèi)部導(dǎo)電層。預(yù)浸料實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，出自 Coombs。1他詳細介紹了 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，您會進入附錄。附錄中的知識非常豐富，列出了與所有 PCB 有關(guān)的行業(yè)標準。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)計活動，再到元件安裝和焊接，并通過質(zhì)量評估、測試方法和維修。在這一點上，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，董事會確實會發(fā)生錯誤，而且似乎總是在確定的截止日期之前發(fā)生。下面的四個 PCB 示例發(fā)生在對裸板進行針床測試之前，或者為了節(jié)省時間而取消了該測試之后——這總是會懲罰我們的不良做法。你能猜出我們在每個例子中發(fā)現(xiàn)的錯誤嗎？

示例 1：過度蝕刻
我們收到 PCB 并組裝了六塊板。奇怪的是，董事會都有不同的問題。通常，當您修復(fù)一塊板時，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)一些錯誤是使隨機事物短路的微小銅片。同時，我們發(fā)現(xiàn)電路性能存在巨大的“無源”問題（至少我們通常認為 PCB 是無源的）。沒有任何電路可以與幾十個隨機短路一起工作。因為這些短褲是隨機的并且在每塊板上都不同，所以這是故障排除的噩夢。我們對 PCB 進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，這些邊緣會斷裂成細長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間過長，則會在“拐角處”蝕刻掉銅（圖 4B）。長而細的碎片會折斷頂部邊緣，在一端保持連接，并與相鄰的走線短路。

仔細觀察我們的電路板，我們看到兩個呈 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。他們試圖通過在每側(cè)兩次磨削板來擦掉碎片。他們確實移除了大部分碎片，但隨后他們對電路板進行了焊接涂層，這使得剩余的碎片成為固體隨機短褲。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。我們對所謂的無源 PCB 有一個嚴重的問題：所有三個電源都在多個地方短路。沒有任何意義；幾十個電路塊根本沒有一個起作用。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引線被扭曲和扭曲。仔細觀察阻焊層下方，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。當阻焊劑曝光時，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，許多跡線連接到錯誤的東西，電源在多個地方短路，并且沒有任何東西（沒有電路塊）起作用。通常當出現(xiàn)電路板錯誤時，至少有一些電路起作用。我們已經(jīng)實施了完整的釘床測試，當它沒有發(fā)現(xiàn)問題時感到很困惑。然后我們發(fā)現(xiàn)采購部門跳過了釘床測試以加快電路板交付。那次測試會為我們節(jié)省幾天的精力。浪費的時間是一個代價高昂的錯誤。

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

圖 5. 右側(cè)帶有交錯邊緣代碼的 PCB 銅層。

實現(xiàn)代碼后，我們可以快速檢查板層順序，避免浪費時間在板上填充組件。

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，以簡化制造過程中的處理。使用路由器將各個板分開，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。除了屏蔽信號免受外部污染外，同軸電纜和帶狀線還提供了一個已知的阻抗信號路徑，當終止于其特征阻抗時，它不會反射能量。如果 PCB 構(gòu)造不當，阻抗變化會導(dǎo)致反射和振鈴，從而破壞模擬信號，甚至?xí)煜龜?shù)字信號。

對電路板進行切片使我們能夠測量各層的厚度。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。這聽起來像是一個很好的“修復(fù)”，但絕對不是這樣。回頭看看圖 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)浸層厚度來進行補償。這將降低頂部銅和中心最近的銅層之間的電容。但是請注意，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，一個看不見的、理所當然的、隨心所欲的 PCB 對精密電路性能產(chǎn)生了相當大的影響。此外，我們不能認為任何事情都是理所當然的，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救措施。回憶一下 Coombs 手冊，第2章第 10 章的跡線與電容和串擾，第 13 章的電壓和接地銅厚度與薄層電阻。對于通過阻抗，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。我們怎樣才能減少這種電感？平行放置兩個、四個或更多過孔。

這是一個很好的一階近似，在考慮幾百兆赫以下的信號完整性時很有用。有關(guān)當前返回路徑的更多細節(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、指紋、皮膚油脂、人的呼吸、殘留的制造化學(xué)品、清潔不當?shù)暮竸┮约氨砻嫠趾蜐穸?。如果這對您的電路來說是個問題，請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；在主動或被動元件上或之中。

在對現(xiàn)有 PCB 進行故障排除時，請記住一位經(jīng)驗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別敏感區(qū)域。用適當?shù)娜軇氐浊鍧嶋娐钒搴苤匾?。錯誤的溶劑，例如用極性溶劑清洗水溶性助焊劑，可能會在板上留下鹽分。如果用去離子水清洗電路板，請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算放大器，可能需要額外注意?？赡苄枰褂门c受保護引腳的直流電平相匹配的驅(qū)動低阻抗電路來保護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。當介電吸收或浸水7導(dǎo)致掛鉤、轉(zhuǎn)換速率錯誤或欠沖/過沖時，這是很糟糕的。然而，當它是高頻電源去耦時，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“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。當談到 PCB 中的潛在問題時，我們根本不能那么盲目。電路板的制造和組裝遠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 缺陷和錯誤。現(xiàn)在，對于我們的討論來說最重要的是，這些缺陷和錯誤會在 IC 中引入被動錯誤。我們只檢查了電壓降、漏電流和雜散電容，但潛在的無源錯誤列表確實更長。解決這些被動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)商對我們成功產(chǎn)品的貢獻。