3D PCB 设计中组件分区、板间互连与 EMI 挑战

本文要点

·  多板设计注意事项
·  板间互连的性能要素
·  3D PCB 设计的 EMI 问题

单块 PCB 能够实现的功能太多了：尺寸微型化以及单个芯片上能容纳的晶体管数量不断增加，这些趋势都在挑战物理极限。这种挑战还延伸到了系统层面：电子系统设计的复杂性有增无减，因此多板 PCB 设计变得越来越有必要。

支持多板 PCB 系统设计需要克服一系列挑战，尤其是 3D 空间中的器件组装，因为维度不再由平面内的轮廓和挤压出的 z 轴所约束。分区、电路板内的连接，以及 EMI 问题都在 3D PCB 设计中发挥重要作用。

单板或多板系统的 3D PCB 设计通过检查散热和机械约束来减少修改时间

2D 与 3D 电路板设计挑战：

3D PCB 设计的组件分区

从物理角度，分区是指将器件按照功能和附近的电路（根据原理图）进行分组。可以将器件及其支持的电路看作一个功能子系统。例如，一块主板可以进一步划分为几个功能单元，如处理器时钟逻辑、总线控制器、总线接口、存储器、视频/音频处理模块，以及外围设备 (I/O)。

在多板 PCB 设计中，分区完成之后，可以将器件组摆放在不同的电路板上。有选择性地摆放器件好处多多：

1.EMC（电磁兼容性）- 通过最佳实践减少 EMI 问题，如分离模拟电路和数字电路、将高速信号和上升时间信号与周围线路隔离、利用包地和增加缝合孔的方案。

2.成本 - 对于需要采用更昂贵的多层电路板架构的功能电路，使用小型电路板与主电路板有助于降低成本。

3.模块化 - 设计多种产品有助于节省时间和金钱，将模块化的标准化单元整合到系统中，根据需要为基本电路板增加功能（如 Arduino 芯片组中的屏蔽层）。

4.外壳要求 - 考虑到设备外壳的物理尺寸和形状，将所有电路摆放在单块电路板上有时是不切实际的。

3D PCB 设计需要工程师发挥创造力，巧妙地将电压和电流要求各不相同的多个器件整合到一个功能设计之中。

管理系统设计可以从确定电路板分区开始

电气系统设计和电路板内部连接

为电气系统选择连接器，不仅仅是根据生产预算选择最佳连接器。连接器具有多个方面，在某些设计方案中，为了满足特定的电源需求，连接器可以决定设计成败。电路板内部的连接器是多板 PCB 设计的基石。让我们简要了解一下不同的板内连接器：

1. 电路板到电路板 - 公/母和引脚/插座接头是目前最常见的板对板连接器类型。此类连接器价格低廉，并不是高速电路的理想之选。但是，可以通过增加引脚数量和使用多个引脚来处理更大的电流。一条经验法则是：留意制造商每个引脚的额定电流处理能力。

2.卡边缘连接器 - 一块电路板边缘处的走线可插入另一块电路板上的匹配插座，使两块电路板相互垂直。卡边缘连接器通常用作主板、背板或 riser 卡上的扩展插槽；PCI-e（外围组件快速互连）插槽就是一个很好的例子，它可以为电脑增加更多内存。耐腐蚀的金触点可直接接触电路板上的走线，是高速数字信号电路的理想选择。

3.电路板到线束 -在许多情况下，可能需要将电缆和电线连接到电路板上。服务器机房特有的 FFC（柔性薄膜电缆）、FPC（柔性印刷电缆）和带状连接器就是其中的典型示例。

4.直接焊接 - “城堡”形过孔可用于创建易于焊接在一起的 PCB 模块。这种方法尤其适用于将小型无线模块连接到较大的电路板上。只需确保遵循高焊接标准，如 IPC-A-610 或 J-STD-001。

5.柔性电路 - 柔性电路可增加成本和制造复杂性，同时兼具元件组件和线束的优点。柔性电路的延展性意味着它们可以更有效地填充外壳内狭小受限的三维空间。

无论是设计需要垂直堆叠 PCB，还是需要将电路板滑入机架或背板，都必须保持电路板之间的连接，这种连接既不能受邻近线路信号质量的影响，也不能对邻近线路的信号质量产生影响。

降低高速电路中的电磁干扰

EMC/EMI 问题是多板 PCB 设计的主要驱动因素之一。只要存在电量和天线，就会产生电磁干扰 (EMI)。随着消费者对网络速度和带宽的要求不断提高，制造商需要不断提高电子产品的性能，这意味着高速信号电路将变得越来越普遍。

设备中有如此多的器件同时运行，必然会在多板系统中引发 EMI 问题。

多板设计为适应 EMI/EMC 最佳实践提供了更多空间：将模拟信号和数字信号分开，避免在狭窄的电路板上出现直角走线，以及根据需要使用多层电路板，提高经济效益。同时，多板设计也带来了新的问题，需要将分析范围从单板扩展到电路板之间的连接和整个系统。

3D PCB 设计注意事项

多板设计就像一个昂贵的 3D 拼图。组成系统的每块电路板都必须安装在一个物理外壳或机箱中。最糟糕的情况莫过于：绘制了“完美”的 CAD 图纸，采购了所有材料、零件和连接器，却在组装当天发现 3D 间隙不正确。更糟糕的是：没有为适当通风留出足够的空间，导致产品出现与热有关的性能问题和老化问题。

幸运的是，设计人员可以借助专业的软件工具跟踪这些拼图，采用整体性的方法进行多板 PCB 设计，对所有电路板、连接器、电缆、插座和其他结构进行信号完整性分析。

Cadence Allegro PCB 设计工具（如 3D Step Viewer）支持复杂的子组件，即使在单板产品上也能确认外壳间隙，layout 团队可以缩短最具挑战性的 3D PCB 设计的周转时间。