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高速背板PCB設計指南

2024.01.11

什么是背板？

背板可以用于將多個設備、模塊或電路板連接在一起，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、信號傳輸和控制功能。背板通常具有多個連接器，可以插入不同的模塊或電路板，并通過高速信號線或光纖進行連接。

CompactPCI 背板

背板可以提供高帶寬、低延遲、可靠的連接，廣泛應用于通信設備、網(wǎng)絡設備、服務器、計算機等領域。

考慮到背板要承受高頻率、大容量的高速信號傳輸，因此背板PCB在設計時需要考慮到電氣性能、機械性能、可靠性、散熱性能等多個方面，在制造時需要使用高性能的材料，采用高精度的加工工藝，以保證背板PCB能夠達到性能要求并且工作穩(wěn)定。

背板的板材選型及疊構設計

背板的板材選型

背板通常采用FR4-TG170級別以上的板材，與一般的FR4-TG130相比，玻璃態(tài)轉化溫度更高，耐燃性更好，通常選取介電常數(shù)ε(Dk)不大于4.4的板材，以減少信號間的串擾。

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高速板材選型

背板的疊層設計

背板PCB的疊層設計需要遵守以下原則：

疊層原則：在背板PCB中，通常包含有信號層、電源平面和地平面。地平面和電源平面可以為相鄰信號走線提供一個低阻抗的電流返回路徑。信號層應位于電源或地參考平面層之間，構成對稱帶狀線或非對稱帶狀線。

劃分電源域：背板上會有多種電源，如-48V、12V、3.3V等。需要根據(jù)每種電源的電流需求，確定該路電源的布線層數(shù)，同時電源平面需要和地平面緊密耦合，從而減少共模EMI干擾。

信號層：相鄰層信號線走線時，遵循垂直布線規(guī)則。高速信號走線的路徑中最好避免跨參考平面，如果必須跨參考平面，則需要在不同平面分割的間隙處放置旁路電容。從而保證信號線的阻抗連續(xù)，減少信號的反射和串擾。

地平面：在條件允許的情況下設置多個地平面，提供一個低阻抗的電流回流路徑。可以考慮選取薄的PP來增加地平面與信號層或者地平面的耦合。

保持層疊對稱：疊層設計時盡量讓信號層、電源層和地平面層對稱，如果出現(xiàn)信號層對應電源層或地平面層的情況，應在信號層沒有信號走線的區(qū)域覆蓋地銅，從而盡量保證對稱結構，以免加工過程發(fā)生翹曲。

16層背板的疊層設計如下：

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大電流背板的疊層設計

有些背板除了需要考慮多種類型的型號線走線之外，還承載著給各個業(yè)務板卡供電的功能。比如OpenVPX 背板，需要承載多種電壓的總電流高達100A。

此時需要使用多個電源平面來滿足電流的需求，可以選擇使用分段策略，在同一層內(nèi)將電源平面與與高速信號線區(qū)域分開布線，如下圖所示。

如果PCB的層數(shù)允許，使用地平面將各個電源層隔開，在保證信號線有良好參考平面的同時，能夠保障整個PCB具有良好的屏蔽性。

背板的關鍵信號走線

背板存在3類信號線：時鐘總線、管理總線和高速信號線。

時鐘總線

時鐘總線信號均為差分信號，如M-LVDS電平的多點低電壓差分信號，可以使多個驅動器或接收器共享同一個物理鏈路，時鐘總線設計遵循以下原則：

時鐘總線源端及末端就近擺放100Ω端接電阻，最大限度地吸收反射信號。
時鐘總線的走線長度不能超過芯片的驅動能力。
時鐘總線經(jīng)過的過孔盡量不要超過 2 個，減少過孔帶來的寄生電容，過孔附近就近打接地過孔，為交流信號提供最短的回流路徑，每個過孔的出現(xiàn)都會使信號阻抗出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。
時鐘總線間距需采取3W原則，最大程度地減少信號間的串擾。
總線的走線需伴隨有完整的參考平面，保證總線信號回流路徑最短，同時特征阻抗不會發(fā)生突變。
差分線的特征阻抗為100Ω。

管理總線

管理總線信號均為單端信號，物理接口形式為I2C，管理總線設計遵循以下原則：

管理總線源端及末端采用就近端接上拉4.7K電阻，提高總線的驅動能力并吸收一部分反射。
管理總線的走線長度不能超過芯片的驅動能力。
單端信號線的特征阻抗設計為65Ω。

高速信號線

高速信號線主要是業(yè)務板和交換板之間的數(shù)據(jù)交換總線和友鄰業(yè)務板之間的數(shù)據(jù)總線，均為高速差分信號線，高速信號線遵循以下設計原則：

差分線經(jīng)過的過孔盡量不要超過 2個，減少由過孔帶來的寄生電容，并在過孔附近就近打接地過孔，為交流信號提供最短的回流路徑。
差分線需和其他網(wǎng)絡間距采取3W原則，最大程度減少串擾。
差分線的走線需伴隨完整的參考平面，保證總線信號回流路徑最短及特征阻抗不發(fā)生突變。
差分線對采用嚴格等長的走線方式，保證差分線對內(nèi)信號時序穩(wěn)定。
差分線的特征阻抗設計為100Ω。

連接器的壓接與過孔背鉆

背板連接器的壓接

隨著電子封裝、元件和系統(tǒng)向微型化、高密度的方向發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，連接器逐漸向微間距，多排插針，高密度的方向發(fā)展。普通的焊接型連接器已無法滿足設計要求，逐漸被壓接型連接器所替代。壓接連接的失效率要比普通電烙鐵焊接（無熱沖擊、熱損傷）低一個數(shù)量級。

壓接工藝是在常溫下將柔性或硬性插針與印制板金屬化孔配合而形成的一種連接，依靠金屬之間的相互作用，在插針與金屬化孔之間形成類似于原子熔融狀態(tài)的緊密接觸，實現(xiàn)連接器和印制板導線之間機械和電氣連接。