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高速PCB設(shè)計(jì)指南之九：如何掌握IC封裝的特性

2015/03/19

Levi

8873

將去耦電容直接放在IC封裝內(nèi)可以有效控制EMI并提高信號(hào)的完整性，本文從IC內(nèi)部封裝入手，分析EMI的來源、IC封裝在EMI控制中的作用，進(jìn)而提出11個(gè)有效控制EMI的設(shè)計(jì)規(guī)則，包括封裝選擇、引腳結(jié)構(gòu)考慮、輸出驅(qū)動(dòng)器以及去耦電容的設(shè)計(jì)方法等，有助于設(shè)計(jì)工程師在新的設(shè)計(jì)中選擇最合適的集成電路芯片，以達(dá)到最佳EMI抑制的性能。現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)EMI控制技術(shù)包括：

（1）電路封閉在一個(gè)Faraday盒中(注意包含電路的機(jī)械封裝應(yīng)該密封)來實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽；

（2）電路板或者系統(tǒng)的I/O端口上采取濾波和衰減技術(shù)來實(shí)現(xiàn)EMI控制；

（3）現(xiàn)電路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的嚴(yán)格屏蔽，或者在電路板上采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)嚴(yán)格控制PCB走線和電路板層(自屏蔽)的電容和電感，從而改善EMI性能。

EMI控制通常需要結(jié)合運(yùn)用上述的各項(xiàng)技術(shù)。一般來說，越接近EMI源，實(shí)現(xiàn)EMI控制所需的成本就越小。PCB上的集成電路芯片是EMI最主要的能量來源，因此如果能夠深入了解集成電路芯片的內(nèi)部特征，可以簡(jiǎn)化PCB和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中的EMI控制。

PCB板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工程師通常認(rèn)為，它們能夠接觸到的EMI來源就是PCB。顯然，在PCB設(shè)計(jì)層面，確實(shí)可以做很多的工作來改善EMI。然而在考慮EMI控制時(shí)，設(shè)計(jì)工程師首先應(yīng)該考慮IC芯片的選擇。集成電路的某些特征如封裝類型、偏置電壓和芯片的工藝技術(shù)(例如CMOS、ECL、TTL)等都對(duì)電磁干擾有很大的影響。本文將著重討論這些問題，并且探討IC對(duì)EMI控制的影響。

1、EMI的來源

數(shù)字集成電路從邏輯高到邏輯低之間轉(zhuǎn)換或者從邏輯低到邏輯高之間轉(zhuǎn)換過程中，輸出端產(chǎn)生的方波信號(hào)頻率并不是導(dǎo)致EMI的唯一頻率成分。該方波中包含頻率范圍寬廣的正弦諧波分量，這些正弦諧波分量構(gòu)成工程師所關(guān)心的EMI頻率成分。最高EMI頻率也稱為EMI發(fā)射帶寬，它是信號(hào)上升時(shí)間而不是信號(hào)頻率的函數(shù)。計(jì)算EMI發(fā)射帶寬的公式為：F=0.35/Tr

其中：F是頻率，單位是GHz；Tr是單位為ns(納秒)的信號(hào)上升時(shí)間或者下降時(shí)間。

從上述公式中不難看出，如果電路的開關(guān)頻率為50MHz，而采用的集成電路芯片的上升時(shí)間是1ns，那么該電路的最高EMI發(fā)射頻率將達(dá)到350MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該電路的開關(guān)頻率。而如果IC的上升時(shí)間為500ps，那么該電路的最高EMI發(fā)射頻率將高達(dá)700MHz。眾所周知，電路中的每一個(gè)電壓值都對(duì)應(yīng)一定的電流，同樣每一個(gè)電流都存在對(duì)應(yīng)的電壓。當(dāng)IC的輸出在邏輯高到邏輯低或者邏輯低到邏輯高之間變換時(shí)，這些信號(hào)電壓和信號(hào)電流就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，而這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)的最高頻率就是發(fā)射帶寬。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及對(duì)外輻射的百分比，不僅是信號(hào)上升時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)也取決于對(duì)信號(hào)源到負(fù)載點(diǎn)之間信號(hào)通道上電容和電感的控制的好壞，在此，信號(hào)源位于PCB板的IC內(nèi)部，而負(fù)載位于其它的IC內(nèi)部，這些IC可能在PCB上，也可能不在該PCB上。為了有效地控制EMI，不僅需要關(guān)注IC芯片自身的電容和電感，同樣需要重視PCB上存在的電容和電感。

當(dāng)信號(hào)電壓與信號(hào)回路之間的耦合不緊密時(shí)，電路的電容就會(huì)減小，因而對(duì)電場(chǎng)的抑制作用就會(huì)減弱，從而使EMI增大；電路中的電流也存在同樣的情況，如果電流同返回路徑之間耦合不佳，勢(shì)必加大回路上的電感，從而增強(qiáng)了磁場(chǎng)，最終導(dǎo)致EMI增加。換句話說，對(duì)電場(chǎng)控制不佳通常也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)抑制不佳。用來控制電路板中電磁場(chǎng)的措施與用來抑制IC封裝中電磁場(chǎng)的措施大體相似。正如同PCB設(shè)計(jì)的情況，IC封裝設(shè)計(jì)將極大地影響EMI。

電路中相當(dāng)一部分電磁輻射是由電源總線中的電壓瞬變?cè)斐傻?。?dāng)IC的輸出級(jí)發(fā)生跳變并驅(qū)動(dòng)相連的PCB線為邏輯“高”時(shí)，IC芯片將從電源中吸納電流，提供輸出級(jí)所需的能量。對(duì)于IC不斷轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的超高頻電流而言，電源總線始于PCB上的去耦網(wǎng)絡(luò)，止于IC的輸出級(jí)。如果輸出級(jí)的信號(hào)上升時(shí)間為1.0ns，那么IC要在1.0ns這么短的時(shí)間內(nèi)從電源上吸納足夠的電流來驅(qū)動(dòng)PCB上的傳輸線。電源總線上電壓的瞬變?nèi)Q于電源總線路徑上的電感、吸納的電流以及電流的傳輸時(shí)間。電壓的瞬變由下面的公式所定義：

V=Ldi/dt，

其中：L是電流傳輸路徑上電感的值；di表示信號(hào)上升時(shí)間間隔內(nèi)電流的變化；dt表示電流的傳輸時(shí)間(信號(hào)的上升時(shí)間)。

由于IC管腳以及內(nèi)部電路都是電源總線的一部分，而且吸納電流和輸出信號(hào)的上升時(shí)間也在一定程度上取決于IC的工藝技術(shù)，因此選擇合適的IC就可以在很大程度上控制上述公式中提到的所有三個(gè)要素。

2、IC封裝在電磁干擾控制中的作用

IC封裝通常包括：硅基芯片、一個(gè)小型的內(nèi)部PCB以及焊盤。硅基芯片安裝在小型的PCB上，通過綁定線實(shí)現(xiàn)硅基芯片與焊盤之間的連接，在某些封裝中也可以實(shí)現(xiàn)直接連接。小型PCB實(shí)現(xiàn)硅基芯片上的信號(hào)和電源與IC封裝上的對(duì)應(yīng)管腳之間的連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了硅基芯片上信號(hào)和電源節(jié)點(diǎn)的對(duì)外延伸。貫穿該IC的電源和信號(hào)的傳輸路徑包括：硅基芯片、與小型PCB之間的連線、PCB走線以及IC封裝的輸入和輸出管腳。對(duì)電容和電感(對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)和磁場(chǎng))控制的好壞在很大程度上取決于整個(gè)傳輸路徑設(shè)計(jì)的好壞。某些設(shè)計(jì)特征將直接影響整個(gè)IC芯片封裝的電容和電感。

首先看硅基芯片與內(nèi)部小電路板之間的連接方式。許多的IC芯片都采用綁定線來實(shí)現(xiàn)硅基芯片與內(nèi)部小電路板之間的連接，這是一種在硅基芯片與內(nèi)部小電路板之間的極細(xì)的飛線。這種技術(shù)之所以應(yīng)用廣泛是因?yàn)楣杌酒蛢?nèi)部小電路板的熱脹系數(shù)(CTE)相近。芯片本身是一種硅基器件，其熱脹系數(shù)與典型的PCB材料(如環(huán)氧樹脂)的熱脹系數(shù)有很大的差別。如果硅基芯片的電氣連接點(diǎn)直接安裝在內(nèi)部小PCB上的話，那么在一段相對(duì)較短的時(shí)間之后，IC封裝內(nèi)部溫度的變化導(dǎo)致熱脹冷縮，這種方式的連接就會(huì)因?yàn)閿嗔讯А＝壎ň€是一種適應(yīng)這種特殊環(huán)境的引線方式，它可以承受大量的彎曲變形而不容易斷裂。

采用綁定線的問題在于，每一個(gè)信號(hào)或者電源線的電流環(huán)路面積的增加將導(dǎo)致電感值升高。獲得較低電感值的優(yōu)良設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)硅基芯片與內(nèi)部PCB之間的直接連接，也就是說硅基芯片的連接點(diǎn)直接粘接在PCB的焊盤上。這就要求選擇使用一種特殊的PCB板基材料，這種材料應(yīng)該具有極低的CTE。而選擇這種材料將導(dǎo)致IC芯片整體成本的增加，因而采用這種工藝技術(shù)的芯片并不常見，但是只要這種將硅基芯片與載體PCB直接連接的IC存在并且在設(shè)計(jì)方案中可行，那么采用這樣的IC器件就是較好的選擇。

一般來說，在IC封裝設(shè)計(jì)中，降低電感并且增大信號(hào)與對(duì)應(yīng)回路之間或者電源與地之間電容是選擇集成電路芯片過程的首選考慮。舉例來說，小間距的表面貼裝與大間距的表面貼裝工藝相比，應(yīng)該優(yōu)先考慮選擇采用小間距的表面貼裝工藝封裝的IC芯片，而這兩種類型的表面貼裝工藝封裝的IC芯片都優(yōu)于過孔引線類型的封裝。BGA封裝的IC芯片同任何常用的封裝類型相比具有最低的引線電感。從電容和電感控制的角度來看，小型的封裝和更細(xì)的間距通?？偸谴硇阅艿奶岣摺?/span>

引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征是管腳的分配。由于電感和電容值的大小都取決于信號(hào)或者是電源與返回路徑之間的接近程度，因此要考慮足夠多的返回路徑。

電源和地管腳應(yīng)該成對(duì)分配，每一個(gè)電源管腳都應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的地管腳相鄰分布，而且在這種引線結(jié)構(gòu)中應(yīng)該分配多個(gè)電源和地管腳對(duì)。這兩方面的特征都將極大地降低電源和地之間的環(huán)路電感，有助于減少電源總線上的電壓瞬變，從而降低EMI。由于習(xí)慣上的原因，現(xiàn)在市場(chǎng)上的許多IC芯片并沒有完全遵循上述設(shè)計(jì)規(guī)則，然而IC設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠商都深刻理解這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，因而在新的IC芯片設(shè)計(jì)和發(fā)布時(shí)IC廠商更關(guān)注電源的連接。

理想情況下，要為每一個(gè)信號(hào)管腳都分配一個(gè)相鄰的信號(hào)返回管腳(如地管腳)。實(shí)際情況并非如此，即使思想最前衛(wèi)的IC廠商也沒有如此分配IC芯片的管腳，而是采用其它折衷方法。在BGA封裝中，一種行之有效的設(shè)計(jì)方法是在每組八個(gè)信號(hào)管腳的中心設(shè)置一個(gè)信號(hào)的返回管腳，在這種管腳排列方式下，每一個(gè)信號(hào)與信號(hào)返回路徑之間僅相差一個(gè)管腳的距離。而對(duì)于四方扁平封裝(QFP)或者其它鷗翼(gull wing)型封裝形式的IC來說，在信號(hào)組的中心放置一個(gè)信號(hào)的返回路徑是不現(xiàn)實(shí)的，即便這樣也必須保證每隔4到6個(gè)管腳就放置一個(gè)信號(hào)返回管腳。需要注意的是，不同的IC工藝技術(shù)可能采用不同的信號(hào)返回電壓。有的IC使用地管腳(如TTL器件)作為信號(hào)的返回路徑，而有的IC則使用電源管腳(如絕大多數(shù)的ECL器件