去年我們陶醉在技術(shù)的海洋中無法自拔，導(dǎo)致部分讀者表示太高大上、看不懂。新年伊始，我們來點(diǎn)接地氣的，討論討論PCB生產(chǎn)環(huán)節(jié)對信號質(zhì)量、產(chǎn)品性能的影響。任何硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)好了，都得生產(chǎn)。但是，凡是生產(chǎn)，必有偏差。線路板生產(chǎn)會(huì)造成哪些偏差？偏差量有多大？產(chǎn)品性能是否能夠接受這個(gè)偏差？

今天講講生產(chǎn)造成的諸多偏差中的一項(xiàng)：“層偏”。層偏是指：在不同的芯板在相互疊合生產(chǎn)中，芯板（core）與芯板（core）之間發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象。

PCB板是用一層core、一層PP壓合而成的，PP是半固態(tài)的，就好比在紙的上下面都涂上膠水，然后一張一張地摞起來，不可能100%都對齊，而且膠水是具有流動(dòng)性，摞完再一壓，紙張之間還會(huì)滑動(dòng)。摞得越厚，整體層偏就越大，效果如下圖所示

你以為的效果：

實(shí)際出來的效果：

圖1. 理想 vs.現(xiàn)實(shí)

再來看看實(shí)際PCB的情況，比如在GSSG疊層（GND layer- Signal layer- Signal layer- GND layer）中布線，設(shè)計(jì)效果、實(shí)際產(chǎn)品效果如下圖所示：

圖2. 設(shè)計(jì) vs.產(chǎn)品

我們研究層偏，目的在于研究層偏對信號的惡化影響。下面以一個(gè)非常典型的案例講解層偏的影響。

1、層偏對阻抗的影響

trace在板上常常需要穿過密集的過孔區(qū)域，比如BGA區(qū)域、連接器區(qū)域，此時(shí)trace離過孔的距離就受到限制，不是你想遠(yuǎn)離就能遠(yuǎn)離的，我們常說此處的布線通道有限。

我們設(shè)計(jì)時(shí)在阻抗表里，對各種不同線寬、線距的trace，都會(huì)注明其允許阻抗波動(dòng)的范圍，比如100ohm+/-10%或者95ohm+/-8%，假設(shè)設(shè)計(jì)阻抗為100ohm的trace由于壓合后材料的Dk偏小，導(dǎo)致trace的實(shí)測阻抗為105ohm，但是按照設(shè)計(jì)要求，105ohm的阻抗沒有超過100ohm+/-10%，滿足工廠的交付質(zhì)量。

在上面這個(gè)105ohm阻抗的前提下，trace又在過孔旁邊穿過，假設(shè)我們在設(shè)計(jì)階段將其layout成下圖所示的原始設(shè)計(jì)。我們知道生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)生層偏，可能往左偏，也有可能往右偏（不是我們希望的），完全是隨機(jī)的。設(shè)計(jì)階段要從worse的角度去考慮產(chǎn)品性能，下面只分析向右層偏的情況。

圖3.層偏圖

從上面這張圖可以看到，向右層偏導(dǎo)致走線進(jìn)入過孔反焊盤的區(qū)域，走線有一部分沒有參考層。相信大家一眼就能看出：阻抗有問題。沒錯(cuò)！進(jìn)入反焊盤區(qū)域阻抗會(huì)向上波動(dòng)，如下圖所示：

圖4. 層偏造成Trace阻抗波動(dòng)

原始設(shè)計(jì)的阻抗在106ohm，如果發(fā)生5mil層偏，進(jìn)入過孔反焊盤區(qū)域的走線阻抗向上波動(dòng)到108ohm。假如在密集過孔區(qū)域（比如BGA），trace往往要穿過幾排過孔才能出來，這會(huì)使得trace阻抗頻繁波動(dòng)，類似于：106~108~106~108~106。你的系統(tǒng)是否能容忍頻繁的2ohm的阻抗波動(dòng)？如果你的走線阻抗做出來已經(jīng)是上限110ohm了（即100 ohm +10%），在110ohm的基礎(chǔ)上再加2ohm，是否還能容忍？是否會(huì)影響產(chǎn)品的良率？……事后去擔(dān)心這種種問題，不如在設(shè)計(jì)階段就想辦法規(guī)避掉。

2、層偏對串?dāng)_的影響

層偏除了會(huì)造成阻抗不連續(xù)，還會(huì)造成串?dāng)_比預(yù)估的大。下面看看層偏對串?dāng)_的影響，在下圖4所示的鏈路上，在Diff_Port2上加1000mVpp的Xtalk，看看Diff_Port1上接收到的串?dāng)_有多大。

圖4. 加串?dāng)_

原始設(shè)計(jì)：8mVpp串?dāng)_

層偏3mil：12mVpp串?dāng)_

層偏5mil：14mVpp串?dāng)_

在上面3種不同的串?dāng)_量，對于接收端的眼圖有多大的影響？如下圖所示：

原始設(shè)計(jì)：

層偏3mil：

層偏5mil：

將上面6張圖的數(shù)據(jù)總結(jié)在一個(gè)表格里，如下所示：

上面這個(gè)表格里只是走線進(jìn)入一對過孔的反焊盤區(qū)域所引起的的串?dāng)_增加量、眼高減小量，如果走線是需要穿過密集過孔區(qū)域，一旦發(fā)生層偏，串?dāng)_量就會(huì)急劇增加，會(huì)使得預(yù)計(jì)的系統(tǒng)裕量減小。

雖然生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的層偏不可避免，但是提前洞悉了其中的奧秘，就可以在設(shè)計(jì)階段提前給出措施，將層偏帶來的影響降到可接受范圍。比如留出層偏量：3~5mil，如下圖所示：

編輯：hfy