无源元件并不是那么被动：印刷电路板

晶体管和集成电路等有源元件利用来自电源的能量改变信号。然而，电阻器、电容器、电感器和连接器等无源元件实际上可以而且确实会以意想不到的方式改变信号。发生这种情况是因为所有这些无源元件都包含寄生元件。本应用笔记由三部分组成，是系列丛书中的最后一篇，讨论了印刷电路板以及由于无源元件并非真正被动而可能发生的错误。

介绍

有时，隐藏某些东西的最好方法是在众目睽睽之下。魔术师使用这种技术以及一些分散注意力的技巧来让观众惊叹不已（图 1）。其实很简单：我们的经验引导我们期待某些规范，并看到我们的期望。因此，盒子是方形的，而不是压扁的平行四边形;球体是对称的，不是半球，也不是背面看不见的细长部分。从同样意义上说， 印刷电路板 （PCB） 似乎很简单.你认为你可以看到发生的一切，但你实际上只看外表面的电路。事实上，如果你深入研究电路板本身，你会发现复杂的层和结构以及无数可能出错的东西。当高精度运算放大器和高分辨率数据转换器无法按预期工作时，我们需要仔细检查周围的所有有源和无源元件，包括PCB。在此上下文中，我们还插入了PCB供应商，他的角色低调，实际上对IC性能至关重要。

本文是IC中无源元件系列文章的第3部分。在第 1 部分中，我们讨论了电容器。在第 2 部分中，我们研究了电阻器，并解释说它们并不是看似简单、良性的无源器件。在第3部分中，我们将讨论通常隐藏或至少伪装的PCB缺陷和错误如何给IC性能引入被动误差。

要了解PCB如何引入无源误差， 我们必须首先检查典型电路板的组成.PCB问题的四个例子以及解决这些隐藏错误的努力将帮助我们理解一个好的可靠的PCB供应商对成功产品的贡献.

我们在这里承认，我们关于被动的文章引发了一些关于“被动”定义的热烈讨论。在我们寻求更多知识和更知情的工程师的过程中，我们对此感到非常高兴。

被动观看 - 看到我们的期望

你注意到PCB组装了吗？是的？不？它在女人左侧的阴影中。是的，我们看到了我们期望看到的。当我们检查PCB时也是如此.当您直接查看典型的电路板时，您会看到什么？

如果您像我们大多数人一样，我们会看到一个以太网连接器，另一个带有“设置传感器”、“UPS 数据”和“RS-45”标签的 RJ-232 连接器。我们看到一个电感器和用于开关电源的电解电容器，几个大型集成电路（IC）和一堆去耦电容器。将所有这些放在一起，它可能是一个具有多种选择的数字板，因为我们还可以看到未填充的组件。右？是的， 但我们并没有真正看到裸露的 PCB 本身， 这就是这个故事开始的地方.

正如我们在开始时所说， 像 PCB 这样复杂的东西可能会出现无数问题.经验告诉我们，一个好的， 可靠的PCB供应商现在对我们非常重要.材料有很多选择，FR4中的编织密度，聚合物，通孔结构，给定蚀刻方法的最小迹线结构，锡板和阻焊层选择。我们可能会指定难以找到的 FR4 （一种常见的玻璃纤维 PCB） 材料，因为我们更喜欢它， 但缺乏可用的 FR4 材料可能会延迟生产，甚至使电路板成本翻倍.我们受人尊敬的PCB供应商将了解资源，可用的通孔施工方法，或为我们的应用推荐的组装方法。这种关系绝对不是被动的。当我们告诉供应商我们关心董事会质量时，他会以同样的方式回报。

没有魔杖构建板

是的，电路板——你从玻璃纤维开始。顶层和底层 （通常是工业型 FR4） 在将成为 PCB 外部的部件上有铜.中心层是铜，两侧都有FR4，因此包括两个内部导电层。预浸料实际上是将堆栈固定在一起的胶水;它可以只是粘合剂，也可以是FR4玻璃纤维和热定型粘合剂的组合。在制造过程中，图3中的堆栈将在热和压力下被压缩以将层粘合在一起。

图3.是典型的四层PCB堆叠。

构造顺序可能因许多因素而异。我们最喜欢的参考资源，大多数工程师称之为“PC圣经”的手册，是Coombs的。1他详细介绍了PCB制造工艺，概述了数百种变化和可能性。就在你被彻底吓倒的时候，你到了附录。附录中的知识是海量的， 与所有PCB相关的行业标准列表.它带您从包括表面贴装、通用和无源元件在内的组件，到印刷电路板、材料、设计活动，再到组件安装和焊接，再到质量评估、测试方法和维修。在这一点上，我们开始欣赏和理解为什么我们需要我们最好的电路板供应商来指导和建议我们。

尽管如此，董事会确实会发生错误，而且似乎总是在确定的截止日期之前发生。下面的四个PCB示例要么发生在裸板的钉床测试之前，要么发生在取消该测试以节省时间之后 - 总是一个会惩罚我们的不良做法。你能猜出我们在每个示例中发现的错误吗？

示例 1：过度蚀刻

我们收到了 PCB 并组装了六块板.奇怪的是，董事会都有不同的问题。通常，当您修复一块板时，相同的修复适用于所有板。但这次不是，这是理解问题的关键。

我们发现一些错误是微小的铜碎片，它们使随机的东西短路。同时，我们在电路性能中看到了一个巨大的“无源”问题（至少我们通常认为PCB是无源的）。没有电路可以在数十个随机短路的情况下工作。因为这些短裤是随机的，而且每块板上都不同，所以这是一场故障排除的噩梦。我们将PCB切片并在显微镜下观察。电路板被过度蚀刻，如图4所示。

图4.PCB部分具有过度蚀刻的薄铜边缘，这些边缘会断裂为长而薄的碎片，并短于相邻的走线。

图4A在光刻胶下具有平坦的侧面。如果化学成分和温度不正确，或者电路板在蚀刻溶液中的时间过长，则效果是蚀刻“近在咫尺”，从而削弱铜（图 4B）。细长的分片可能会折断顶部边缘，在一端保持连接，并短到相邻的迹线。

仔细观察我们的电路板，我们看到了两个 90 度角的磨痕图案。供应商使用了带有嵌入式磨料的聚合物砂轮。他们试图通过在每侧两次研磨木板来擦掉碎片。他们确实去除了大部分碎片，但随后他们焊接了电路板，这使得剩余的碎片成为固体随机短路。添加阻焊层隐藏了短路和大多数磨痕.

示例 2：方向

我们收到了带有阻焊层和顶部丝网印刷的双面PCB，并手工组装了带有通孔零件的电路板.什么都没用。我们在所谓的无源PCB上遇到了一个严重的问题：所有三个电源在多个地方都短路了。没有任何意义;几十个电路块中没有一个起作用。技术人员尝试了一下，但最终打电话给工程师寻求帮助。

技术人员设法以一些奇怪的方式插入零件。例如，晶体管的三根引线（通常在丝网印刷轮廓中形成三角形）被扭曲和扭曲。仔细观察阻焊层下方，我们意识到丝网印刷和电路板的底部方向正确，但电路板的顶部组件铜侧是镜像。当阻焊剂暴露时，用于制作顶部图像的薄膜是颠倒的。

示例 3：找到自己的路

我们收到了一个四层板，如上面的示例 2 所示，存在类似的问题。同样，许多走线连接到错误的东西，电源在多个地方短路，没有任何工作（没有电路块）。通常，当出现电路板错误时，至少某些电路会起作用。我们已经实施了完整的钉床测试，当它没有发现问题时感到困惑。然后我们发现采购部门跳过了钉床测试，以加快电路板交付。该测试将节省我们数天的精力。浪费的时间是一个代价高昂的错误。

我们发现电路板层的组装顺序错误。许多盲孔连接到错误的层上。因此，我们添加了一个边缘代码（图5），以便检查电路板。

图5.PCB的铜层，右侧有一个交错的边缘代码。实现代码后，我们可以快速检查电路板层顺序，以免浪费时间，在电路板上填充组件。

图5的代码延伸到PCB的边缘。这些板通常在由许多较小的PCB制成的较大面板中制造，以方便在制造过程中进行处理.各个电路板使用路由器分隔，从而在电路板边缘露出图 5 代码。显微镜可以让我们测量铜间距，并查看它是否符合电路板规格。这向我们保证了带状线将是正确的阻抗。

示例 4：厚度正确，但答案不正确

我们收到了一块四层板。其中大部分都有效，但带状线有巨大的振铃和反射。带状线相当于嵌入 PCB 中的同轴电缆。同轴电缆是绝缘电介质内的中心导体，周围环绕着圆形接地屏蔽。除了保护信号免受外部污染外，同轴电缆和带状线还提供已知的阻抗信号路径，当在其特性阻抗端接时，该路径不会反射能量。如果PCB结构不正确，阻抗变化会导致反射和振铃，从而破坏模拟信号，甚至可能混淆数字信号。

对电路板进行切片使我们能够测量各层的厚度。我们发现PCB供应商缺少一些厚度的电路板材料.他们未经培训的员工试图满足我们的交货期限，并从库存中替换额外的预浸料层，从而使总厚度正确。这听起来可能是一个很好的“修复”，但绝对不是这样。回头看图 4。假设两侧都有铜的中心层被更薄的材料所取代。这两层之间的电容会上升，因为电介质更薄。为了保持布局和最终板的总厚度相同，我们可以通过增加上部预浸料层厚度来补偿。这将降低顶部铜层和中心最近的铜层之间的电容。但是请注意，这也假设预浸料在两种情况下具有相同的介电常数，这可能不正确。因此，电容的变化会改变PCB和带状线阻抗，我们所谓的“无源”PCB现在正在振铃。您可以对信号完整性说“再见”。

PCB问题导致被动故障

显然，一个看不见的、理所当然的、随便你怎么称呼它的PCB都会对精密电路性能产生相当大的影响。此外，我们不能认为任何事情都是理所当然的，也不能假设无源IC问题与PCB本身无关。由不良 PCB 引起的常见 IC 性能问题和错误包括接地通孔、平面或箔中的压降和阻抗;防漏和吸湿性;和杂散电容，具有欢迎和介电吸收或浸泡。

压降

接地过孔、平面或箔片中的压降是一个经常被忽视的问题。使问题更加复杂的是，直流和高频的压降需要不同的补救措施。回想一下库姆斯手册，2第10章介绍走线与电容和串扰的关系，第13章介绍电压和接地铜厚度与片层电阻的关系。对于过孔阻抗，我们期待Sayre：3

L = 5.08h [ln （4h/d） + 1]

其中：
L = 过孔电感，nH
h = 过孔长度，英寸
d = 过孔直径，英寸

使用 h = 0.0625 英寸和 d = 0.020 英寸，我们的过孔电感为 0.666μH。如何降低这种电感？并行放置两个、四个或更多过孔。

这是一个很好的一阶近似，在考虑几百兆赫兹以下的信号完整性时很有用。有关当前回归路径的更多细节和考虑，我们转向霍华德·约翰逊和他的“黑魔法”系列。

耐漏电性

耐漏电性5的PCB会干扰敏感的高阻抗电路。泄漏源包括层压材料选择不当、指纹、皮肤油、人体呼吸、残留的制造化学品、未正确清洁的助焊剂以及表面水分和湿度。如果这对您的电路有问题，请考虑表面和地下污染和吸湿无处不在，在阻焊层上、内部或下方;在敷形涂层上、内部或下方;在有源或无源元件上或中。

在对现有PCB进行故障排除时，请记住经验丰富的工程师通过苏打吸管在板上吹气。吸管定位水分以帮助识别敏感区域。使用适当的溶剂彻底清洁电路板非常重要。错误的溶剂，例如，用极性溶剂清洁水溶性助焊剂，可能会在电路板上留下盐分。如果使用去离子水清洁木板，请烘烤木板以干燥。即使现在你也可能没有完成。即使是最干净的电路板也可能仍然会引起问题。具有非常敏感电路的PCB，例如具有高阻抗输入和高增益的运算放大器，可能需要额外关注。可能需要使用与受保护引脚的直流电平相匹配的驱动低阻抗电路来保护或包围所有电路板层上的敏感引脚。

杂散电容

当电容杂散且不可避免时，它通常是一个问题。它减少了带宽并减慢了高速信号。介电吸收或浸泡时不好7导致挂钩、压摆率错误或欠冲/过冲。但是，当它是高频功率去耦时，电容是受欢迎的。我们可以在电源层和接地层之间指定比普通电介质更薄（甚至薄FR4）以增加电容。小于10pF的分立电容（表面贴装中在~2GHz时自谐振）很容易受到走线和电感的影响。当电容分布在电源层和接地层之间时， 它具有低串联电感，并且是可重复的，是的， 如果我们有一个“黄金”优秀的PCB供应商.

总结

让我们回想一下我们打开的魔术师的神秘盒子，里面隐藏着技巧。我们期待某些规范，看看我们的期望。当涉及到PCB中的潜在问题时，我们根本不能那么盲目.电路板的制造和组装远比临时审查员看起来要复杂得多，这种复杂性存在PCB缺陷和错误的可能性。现在，对于我们的讨论来说，最重要的是，这些缺陷和错误会在IC中引入被动误差。我们只检查了压降、漏电流和杂散电容，但潜在无源误差的清单确实更长。解决这些被动问题不可避免地意味着修复PCB，每种情况都需要自己的解决方案。最后， 在这种情况下，我们都可以欣赏一个好的可靠的PCB供应商对我们成功产品的贡献.

审核编辑：郭婷