三维布线技术的电磁兼容性预测

sysop

  摘 要：在电子装联工艺中，互连线间的电磁耦合（串扰）是电子整机内各模块间互连线缆及模块内PCB印制迹线布线的主要考虑因素，本文通过对互连线的串扰分析，提出以有限元计算及电路仿真软件为工具，对布线的串扰进行预测。



关键词：三维布线；电磁兼容性；串扰；互连线；等效电路

Microwave Circuit Interconnect and Manufacture Technology



GAO Jian-kai ,ZHOU De-jian

(Guilin Institute of Electronic Technology, Guilin 541004,China)



Abstract: Cross-talk noise between interconnected wires in electronic machine or PCB is important factor of routing. Through analyzing of Cross-talk noise between interconnected wires, the way which forecasts electromagnetic compatibility by using electrical simulator and FEM is presented in this paper.

Key word: three-dimensional routing; electromagnetic compatibility; cross-talk noise; interconnected wire; equivalent circuit;

0 引言



三维布线技术是高密度组装技术的重要组成部分之一，目前在电子产品研制和批量生产过程中广泛应用的是计算机辅助的三维布线技术，其特点是布线速度快，布线产生的空间干涉率低。电子电路设计工程师多凭开发经验在PCB制成后，在硬件调试或电子设备的整机调试过程中解决电磁兼容问题，这显然是一种定性不定量的、不可靠的方法。电磁兼容是三维布线技术必不可少的内容，单考虑空间约束的布线技术将不能彻底解决电子产品的互连问题，相反可能会带来负面影响。

电磁兼容性预测是一种通过理论计算对电子电气设备和系统的电磁兼容性程度进行分析评估的技术，这项技术通常应用在设备或系统研制的方案设计阶段和工程研制阶段。在电子整机内，众多的电缆电线传输的信号频率和幅度强弱各异、信号通过电缆电线在它周围空间产生的电磁场要对其它电线电缆产生干扰，直接影响整机设备的性能。随着电子产品的小型化轻型化的发展，PCB上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号的频率越来越高，不可避免的地引入电磁兼容和电磁干扰的问题，尤其电磁瞬变形成的电磁干扰更加严重。因此在电子产品三维布线的设计阶段进行电磁兼容性预测，运用预测结果对布线的走线路径和走线结构进行调整将大大提高电子产品的可靠性，缩短产品的开发周期，提高产品的市场竞争力。

电磁兼容预测中的主要算法有场的方法和路的方法，单纯场的方法和路的方法往往难以解决工程问题，而场路相结合将大大提高预测的广度和深度。根据电子整机及PCB布线设计的要求，在电磁兼容原理的基础上，采用电磁场有限元数值计算方法提取线间的等效电路参数，运用传输线理论根据导线相互间的实际有效耦合长度和信号源波长的关系建立相应的等效RLC电路模型，以SPIECE软件为工具对导线间的电磁干扰进行预测，得到不同信号源频率、不同结构导线间的耦合关系，以此作为指导布线的依据。



1 互连线的串扰分析



电子系统各分系统、设备间以及设备内部的信号与电能传输都是由各不同类型、不同规格的线缆完成。组装时总是把内部连接导线捆扎成一捆捆电缆，印制线路则是紧密排列在绝缘基板（刚性或柔性）上，这样即整齐美观，又坚固便于固定，还有利于维修检查。由此导线和线缆的之间的电容性（电场）和电感性（磁场）耦合剧增，引起电磁干扰。电磁能量因电容性耦合和电感性耦合，从一根传输线到另一根传输线的电磁干扰称为串扰。互连线的串扰分析预测，始终是电子整机的电磁兼容性分析的重要方面。

互连线的串扰的主要来源是：电容耦合、电感耦合。线间电容、电感的耦合使得干扰线上的电流、电压的变化影响被干扰线的电流、电压。电容耦合如图1所示，其中图a、图b分别为耦合示意图和等效电路图。


图2 电感耦合



（a）电感耦合示意图 （b）等效电路图



根据感应耦合的基本原理可知，在两线间同时存在磁场耦合和电场耦合。在信号源频率较低时，导线的耦合长度l远小于信号波长λ（l<<λ），可以用集中的互连电感参数M和互电容参数C来表示电磁耦合。每个导线在自己的回路中还有导线电阻对信号电流的影响，导线电感效应及对地的电场效应，也可以用等效集中参数R、L和C0来描述。这样就把导线间的电场感应和磁场感应近似描述成集中参数电路。通过已知的信号源ES和各阻抗参数，既可计算出接受导线回路中的感应电压和电流。电磁兼容工程中频率的高低是以其波长与电路结构比较来划分的，一般以波长λ＝10l作为界限，λ＞10l称为“低频情况”，允许使用集中参数的等效电路分析线间耦合。 λ≤10l称为“高频情况”，线间耦合必须应用电磁场理论的传输方程来分析，有时也可以采用分段处理的方法来分析。

2 等效电路模型的参数提取




电容、电感参数的提取是一个较为复杂的问题，一般分为：经验公式法和基于数值计算的方法。对于连接设备的互连电缆如图3结构，当h＝h1＝h2、r＝r1＝r2可由公式（1）、（2）计算耦合电容和耦合电感。对于PCB上的印制迹线也有类似的经验公式计算耦合电容和耦合电感。



图3 地面上平行直导线参数提取示意图

                               
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（1）

                               
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(2）

经验公式的参数提取方法只适合一定的范围和特定的结构，对于结构特殊、介质不连续，如线缆的不同绝缘层和屏蔽层、PCB基板材料不同等，耦合参数的提取一般采用数值计算的方法。近年随着计算机技术的发展，电磁场有限元计算的方法得到运用。一些大型有限元计算软件（如ANSYS）的电磁场模块具有多导体系统求取电容以及导体间电感计算的功能，通常运用在芯片和PCB互连优化模拟中，具有较高的精度。图4为共地双导体的系统的有限元模型，导体材料为铜ρ＝0.184E-5Ω.m，绝缘体材料为聚氯乙烯（相对介电常数εr＝3.2），对导线绝缘层、周围空气进行了网格划分，并且建立了空气远场单元有效地解决了远场耗散问题，通过定义边界条件在远场区域外施加磁标志，选择求解器进行有限元计算，即可求得导体系统对地电容和集中电容。图5为PCB上两相邻印制迹线的有限元模型，印制迹线的材料为铜，基板材料为环树脂（相对介电常数εr＝4.7），基板和空气区域进行建模和网格划分。

                               
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图4 地面上平行直导线参数提取有限元网格划分

                               
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图5 PCB印制迹线参数提取有限元网格划分



3 串扰预测

                               
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根据传输线理论，对提取的电路参数进行SPIECE电路仿真，即可直观的看出不同结构的电缆干扰源线对被干扰线产生的干扰量。在低频情况下，一般采用集中参数的等效电路模型如图6所示，其中R1、R4为驱动电阻，R2、R5为互连线电阻，R3、R6为负载电阻。

图6 集中参数的等效电路模型

                               
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当频率升高使信号波长与互连线长度相比拟时，传统的将互连线等效成单个的R、L、C元件的集中参数模型将不再精确。因此在电路仿真中采用分布参数的概念，将互连线沿长度方向分为n段，每段由图7所示的分布式三级π型模型来等效。在极低频的情况下，不分段和分段的耦合量X差别不明显，耦合量定义为：X(dB)＝20lg(U2/U1),U2和U1分别为源电路导线上的电压和接受电路负载上的电压，但在中频和高频的情况下，不分段的耦合系数带来很大的误差。分段越多，计算越精确；然而段数越多，等效电路越复杂，使计算的工作量加大，而且在段长Δl=0.05λ之后,再继续增加段数对提高准确性效果不大。所以段长Δl在（0.05～0.1）λ之间为宜。

                               
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图7 分布式等效电路模型


通过SPIECE仿真计算可以得到耦合量与频率的关系。图8为不同间隔S和不同导线高度的h的电容耦合量与频率的关系，其中选择的平行导线的长度为1m，骚扰电路的源阻抗、负载阻抗和接受回路的近端负载和远端负载都等于100Ω，导线的直径为0.64mm。同样也可得到电感耦合与频率的关系图。


图8电容性耦合量与频率的关系

                               
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由图8中可以看出，干扰源频率与线间的耦合量呈线性递增关系。同时增加线间距可以减小耦合大小，在线间距一定的条件下导线的离地越高耦合量越大，因此应尽量加大导线的间距，减小导线的离地高度。对于PCB上的印制迹线，在满足强度要求的前提下，应尽量选择较薄的印制板，以减少信号环路的面积从而减少线间串扰。通过对互连线间的串扰预测，可以定量的得到的干扰大小，这是分析电子系统内部各敏感单元是否稳定工作的重要因素。根据传输信号频率进行分类，调整导线间距、实际耦合长度、接地高度以及印制板的厚度都是减少布线串扰的重要因素。

4 总结



本文首先对互连线串扰进行了分析，确定引起串扰的根本原因是导线间的电容耦合和电感耦合，并进一步提出利用有限元的方法提取电路参数建立等效电路模型，对串扰进行预测的方法。对低频和高频两种情况分别给出了适合电路仿真的集中参数电路模型和分布参数电路模型以及电路参数的提取方法。

在整机及PCB三维布线过程中，通过对线间的串扰进行预测来指导布线，可以大大减少布线返工率，提高布线效率，为电子产品的快速研制奠定基础。