晶體管和集成電路等有源元件利用來自電源的能量改變信號。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而且確實會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)用筆記由三部分組成，是系列叢書中的最后一篇，討論了印刷電路板以及由于無源元件并非真正被動而可能發(fā)生的錯誤。

介紹

有時，隱藏某些東西的最好方法是在眾目睽睽之下。魔術(shù)師使用這種技術(shù)以及一些分散注意力的技巧來讓觀眾驚嘆不已（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，并看到我們的期望。因此，盒子是方形的，而不是壓扁的平行四邊形;球體是對稱的，不是半球，也不是背面看不見的細長部分。從同樣意義上說， 印刷電路板 （PCB） 似乎很簡單.你認為你可以看到發(fā)生的一切，但你實際上只看外表面的電路。事實上，如果你深入研究電路板本身，你會發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的層和結(jié)構(gòu)以及無數(shù)可能出錯的東西。當(dāng)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)期工作時，我們需要仔細檢查周圍的所有有源和無源元件，包括PCB。在此上下文中，我們還插入了PCB供應(yīng)商，他的角色低調(diào)，實際上對IC性能至關(guān)重要。

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，并解釋說它們并不是看似簡單、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缺陷和錯誤如何給IC性能引入被動誤差。

要了解PCB如何引入無源誤差， 我們必須首先檢查典型電路板的組成.PCB問題的四個例子以及解決這些隱藏錯誤的努力將幫助我們理解一個好的可靠的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)于被動的文章引發(fā)了一些關(guān)于“被動”定義的熱烈討論。在我們尋求更多知識和更知情的工程師的過程中，我們對此感到非常高興。

被動觀看 - 看到我們的期望

你注意到PCB組裝了嗎？是的？不？它在女人左側(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時也是如此.當(dāng)您直接查看典型的電路板時，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-45”標簽的 RJ-232 連接器。我們看到一個電感器和用于開關(guān)電源的電解電容器，幾個大型集成電路（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。右？是的， 但我們并沒有真正看到裸露的 PCB 本身， 這就是這個故事開始的地方.

正如我們在開始時所說， 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)在對我們非常重要.材料有很多選擇，F(xiàn)R4中的編織密度，聚合物，通孔結(jié)構(gòu)，給定蝕刻方法的最小跡線結(jié)構(gòu)，錫板和阻焊層選擇。我們可能會指定難以找到的 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)，甚至使電路板成本翻倍.我們受人尊敬的PCB供應(yīng)商將了解資源，可用的通孔施工方法，或為我們的應(yīng)用推薦的組裝方法。這種關(guān)系絕對不是被動的。當(dāng)我們告訴供應(yīng)商我們關(guān)心董事會質(zhì)量時，他會以同樣的方式回報。

沒有魔杖構(gòu)建板

是的，電路板——你從玻璃纖維開始。頂層和底層 （通常是工業(yè)型 FR4） 在將成為 PCB 外部的部件上有銅.中心層是銅，兩側(cè)都有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固定在一起的膠水;它可以只是粘合劑，也可以是FR4玻璃纖維和熱定型粘合劑的組合。在制造過程中，圖3中的堆棧將在熱和壓力下被壓縮以將層粘合在一起。

圖3.是典型的四層PCB堆疊。

構(gòu)造順序可能因許多因素而異。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，是Coombs的。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。就在你被徹底嚇倒的時候，你到了附錄。附錄中的知識是海量的， 與所有PCB相關(guān)的行業(yè)標準列表.它帶您從包括表面貼裝、通用和無源元件在內(nèi)的組件，到印刷電路板、材料、設(shè)計活動，再到組件安裝和焊接，再到質(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我們最好的電路板供應(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示例要么發(fā)生在裸板的釘床測試之前，要么發(fā)生在取消該測試以節(jié)省時間之后 - 總是一個會懲罰我們的不良做法。你能猜出我們在每個示例中發(fā)現(xiàn)的錯誤嗎？

示例 1：過度蝕刻

我們收到了 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(dāng)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)一些錯誤是微小的銅碎片，它們使隨機的東西短路。同時，我們在電路性能中看到了一個巨大的“無源”問題（至少我們通常認為PCB是無源的）。沒有電路可以在數(shù)十個隨機短路的情況下工作。因為這些短褲是隨機的，而且每塊板上都不同，所以這是一場故障排除的噩夢。我們將PCB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.PCB部分具有過度蝕刻的薄銅邊緣，這些邊緣會斷裂為長而薄的碎片，并短于相鄰的走線。

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，則效果是蝕刻“近在咫尺”，從而削弱銅（圖 4B）。細長的分片可能會折斷頂部邊緣，在一端保持連接，并短到相鄰的跡線。

仔細觀察我們的電路板，我們看到了兩個 90 度角的磨痕圖案。供應(yīng)商使用了帶有嵌入式磨料的聚合物砂輪。他們試圖通過在每側(cè)兩次研磨木板來擦掉碎片。他們確實去除了大部分碎片，但隨后他們焊接了電路板，這使得剩余的碎片成為固體隨機短路。添加阻焊層隱藏了短路和大多數(shù)磨痕.

示例 2：方向

我們收到了帶有阻焊層和頂部絲網(wǎng)印刷的雙面PCB，并手工組裝了帶有通孔零件的電路板.什么都沒用。我們在所謂的無源PCB上遇到了一個嚴重的問題：所有三個電源在多個地方都短路了。沒有任何意義;幾十個電路塊中沒有一個起作用。技術(shù)人員嘗試了一下，但最終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，晶體管的三根引線（通常在絲網(wǎng)印刷輪廓中形成三角形）被扭曲和扭曲。仔細觀察阻焊層下方，我們意識到絲網(wǎng)印刷和電路板的底部方向正確，但電路板的頂部組件銅側(cè)是鏡像。當(dāng)阻焊劑暴露時，用于制作頂部圖像的薄膜是顛倒的。

示例 3：找到自己的路

我們收到了一個四層板，如上面的示例 2 所示，存在類似的問題。同樣，許多走線連接到錯誤的東西，電源在多個地方短路，沒有任何工作（沒有電路塊）。通常，當(dāng)出現(xiàn)電路板錯誤時，至少某些電路會起作用。我們已經(jīng)實施了完整的釘床測試，當(dāng)它沒有發(fā)現(xiàn)問題時感到困惑。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。該測試將節(jié)省我們數(shù)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上。因此，我們添加了一個邊緣代碼（圖5），以便檢查電路板。

圖5.PCB的銅層，右側(cè)有一個交錯的邊緣代碼。實現(xiàn)代碼后，我們可以快速檢查電路板層順序，以免浪費時間，在電路板上填充組件。

圖5的代碼延伸到PCB的邊緣。這些板通常在由許多較小的PCB制成的較大面板中制造，以方便在制造過程中進行處理.各個電路板使用路由器分隔，從而在電路板邊緣露出圖 5 代碼。顯微鏡可以讓我們測量銅間距，并查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：厚度正確，但答案不正確

我們收到了一塊四層板。其中大部分都有效，但帶狀線有巨大的振鈴和反射。帶狀線相當(dāng)于嵌入 PCB 中的同軸電纜。同軸電纜是絕緣電介質(zhì)內(nèi)的中心導(dǎo)體，周圍環(huán)繞著圓形接地屏蔽。除了保護信號免受外部污染外，同軸電纜和帶狀線還提供已知的阻抗信號路徑，當(dāng)在其特性阻抗端接時，該路徑不會反射能量。如果PCB結(jié)構(gòu)不正確，阻抗變化會導(dǎo)致反射和振鈴，從而破壞模擬信號，甚至可能混淆數(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)商缺少一些厚度的電路板材料.他們未經(jīng)培訓(xùn)的員工試圖滿足我們的交貨期限，并從庫存中替換額外的預(yù)浸料層，從而使總厚度正確。這聽起來可能是一個很好的“修復(fù)”，但絕對不是這樣。回頭看圖 4。假設(shè)兩側(cè)都有銅的中心層被更薄的材料所取代。這兩層之間的電容會上升，因為電介質(zhì)更薄。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)浸料層厚度來補償。這將降低頂部銅層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)，這可能不正確。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)在正在振鈴。您可以對信號完整性說“再見”。

PCB問題導(dǎo)致被動故障

顯然，一個看不見的、理所當(dāng)然的、隨便你怎么稱呼它的PCB都會對精密電路性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。此外，我們不能認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 性能問題和錯誤包括接地通孔、平面或箔中的壓降和阻抗;防漏和吸濕性;和雜散電容，具有歡迎和介電吸收或浸泡。

壓降

接地過孔、平面或箔片中的壓降是一個經(jīng)常被忽視的問題。使問題更加復(fù)雜的是，直流和高頻的壓降需要不同的補救措施。回想一下庫姆斯手冊，2第10章介紹走線與電容和串?dāng)_的關(guān)系，第13章介紹電壓和接地銅厚度與片層電阻的關(guān)系。對于過孔阻抗，我們期待Sayre：3

L = 5.08h [ln （4h/d） + 1]

其中：
L = 過孔電感，nH
h = 過孔長度，英寸
d = 過孔直徑，英寸

使用 h = 0.0625 英寸和 d = 0.020 英寸，我們的過孔電感為 0.666μH。如何降低這種電感？并行放置兩個、四個或更多過孔。

這是一個很好的一階近似，在考慮幾百兆赫茲以下的信號完整性時很有用。有關(guān)當(dāng)前回歸路徑的更多細節(jié)和考慮，我們轉(zhuǎn)向霍華德·約翰遜和他的“黑魔法”系列。

耐漏電性

耐漏電性5的PCB會干擾敏感的高阻抗電路。泄漏源包括層壓材料選擇不當(dāng)、指紋、皮膚油、人體呼吸、殘留的制造化學(xué)品、未正確清潔的助焊劑以及表面水分和濕度。如果這對您的電路有問題，請考慮表面和地下污染和吸濕無處不在，在阻焊層上、內(nèi)部或下方;在敷形涂層上、內(nèi)部或下方;在有源或無源元件上或中。

在對現(xiàn)有PCB進行故障排除時，請記住經(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。使用適當(dāng)?shù)娜軇氐浊鍧嶋娐钒宸浅Ｖ匾ｅe誤的溶劑，例如，用極性溶劑清潔水溶性助焊劑，可能會在電路板上留下鹽分。如果使用去離子水清潔木板，請烘烤木板以干燥。即使現(xiàn)在你也可能沒有完成。即使是最干凈的電路板也可能仍然會引起問題。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，可能需要額外關(guān)注。可能需要使用與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。

雜散電容

當(dāng)電容雜散且不可避免時，它通常是一個問題。它減少了帶寬并減慢了高速信號。介電吸收或浸泡時不好7導(dǎo)致掛鉤、壓擺率錯誤或欠沖/過沖。但是，當(dāng)它是高頻功率去耦時，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（甚至薄FR4）以增加電容。小于10pF的分立電容（表面貼裝中在~2GHz時自諧振）很容易受到走線和電感的影響。當(dāng)電容分布在電源層和接地層之間時， 它具有低串聯(lián)電感，并且是可重復(fù)的，是的， 如果我們有一個“黃金”優(yōu)秀的PCB供應(yīng)商.

總結(jié)

讓我們回想一下我們打開的魔術(shù)師的神秘盒子，里面隱藏著技巧。我們期待某些規(guī)范，看看我們的期望。當(dāng)涉及到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臨時審查員看起來要復(fù)雜得多，這種復(fù)雜性存在PCB缺陷和錯誤的可能性。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中引入被動誤差。我們只檢查了壓降、漏電流和雜散電容，但潛在無源誤差的清單確實更長。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，我們都可以欣賞一個好的可靠的PCB供應(yīng)商對我們成功產(chǎn)品的貢獻.

審核編輯：郭婷