混合集成電路的EMC設計
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混合集成電路(Hybrid Integrated Circuit)是由半導體集成工藝與厚(薄)膜工藝結合而製成的集成電路。混合集成電路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互連線,並在同一基片上將分立的半導體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝,再外加封裝而成。具有組裝密度大、可靠性高、電性能好等特點。
隨著電路板尺寸變小、佈線密度加大以及工作頻率的不斷提高,電路中的電磁干擾現象也越來越突出,電磁兼容問題也就成為一個電子系統能否正常工作的關鍵。電路板的電磁兼容設計成為系統設計的關鍵。
2、電磁兼容原理
電磁兼容是指電子設備和電源在一定的電磁干擾環境下正常可靠工作的能力,同時也是電子設備和電源限制自身產生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設備的能力。
任何一個電磁干擾的發生必須具備三個基本條件:首先要具備干擾源,也就是產生有害電磁場的裝置或設備;其次是要具有傳播干擾的途徑,通常認為有兩種方式:傳導耦合方式和輻射耦合方式,第三是要有易受干擾的敏感設備。因此,解決電磁兼容性問題應針對電磁干擾的三要素,逐一進行解決:減小干擾發生元件的干擾強度;切斷干擾的傳播途徑;降低系統對干擾的敏感程度。
混合集成電路設計中存在的電磁干擾有:傳導干擾、串音干擾以及輻射干擾。在解決EMI問題時,首先應確定發射源的耦合途徑是傳導的、輻射的,還是串音。如果一個高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現在靠近載有信號的導體附近,電磁干擾的問題主要是串音。如果幹擾源和敏感器件之間有完整的電路連接,則是傳導干擾。而在兩根傳輸高頻信號的平行導線之間則會產生輻射干擾。
3、電磁兼容設計
在混合集成電路電磁兼容性設計時首先要做功能性檢驗,在方案已確定的電路中檢驗電磁兼容性指標能否滿足要求,若不滿足就要修改參數來達到指標,如發射功率、工作頻率、重新選擇器件等。其次是做防護性設計,包括濾波、屏蔽、接地與搭接設計等。第三是做佈局的調整性設計,包括總體佈局的檢驗,元器件及導線的佈局檢驗等。通常,電路的電磁兼容性設計包括:工藝和部件的選擇、電路佈局及導線的佈設等。
3.1、工藝和部件的選取
混合集成電路有三種製造工藝可供選擇,單層薄膜、多層厚膜和多層共燒厚膜。薄膜工藝能夠生產高密度混合電路所需的小尺寸、低功率和高電流密度的元器件,具有高質量、穩定、可靠和靈活的特點,適合於高速高頻和高封裝密度的電路中。但只能做單層佈線且成本較高。多層厚膜工藝能夠以較低的成本製造多層互連電路, 從電磁兼容的角度來說,多層佈線可以減小線路板的電磁輻射並提高線路板的抗干擾能力。因為可以設置專門的電源層和地層,使信號與地線之間的距離僅為層間距離。這樣,板上所有信號的迴路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。
其中多層共燒厚膜工藝具有更多的優點,是目前無源集成的主流技術。它可以實現更多層的佈線,易於內埋元器件,提高組裝密度,具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。此外,與薄膜技術具有良好的兼容性,二者結合可實現更高組裝密度和更好性能的混合多層電路。
混合電路中的有源器件一般選用裸芯片,沒有裸芯片時可選用相應的封裝好的芯片,為得到最好的EMC特性,儘量選用表貼式芯片。選擇芯片時在滿足產品技術指標的前提下,儘量選用低速時鐘。在HC能用時絕不使用AC,CMOS4000能行就不用HC。電容應具有低的等效串聯電阻,這樣可以避免對信號造成大的衰減。
混合電路的封裝可採用可伐金屬的底座和殼蓋,平行縫焊,具有很好的屏蔽作用。
3.2、電路的佈局
在進行混合微電路的佈局劃分時,首先要考慮三個主要因素:輸入/輸出引腳的個數,器件密度和功耗。一個實用的規則是片狀元件所佔面積為基片的20%,每平方英寸耗散功率不大於2W。
在器件佈置方面,原則上應將相互有關的器件儘量靠近,將數字電路、模擬電路及電源電路分別放置,將高頻電路與低頻電路分開。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應儘量遠離邏輯電路。對時鐘電路和高頻電路等主要干擾和輻射源應單獨安排,遠離敏感電路。輸入輸出芯片要位於接近混合電路封裝的I/O出口處。
高頻元器件儘可能縮短連線,以減少分佈參數和相互間的電磁干擾,易受干擾元器件不能相互離得太近,輸入輸出儘量遠離。震盪器儘可能靠近使用時鐘芯片的位置,並遠離信號接口和低電平信號芯片。元器件要與基片的一邊平行或垂直,儘可能使元器件平行排列,這樣不僅會減小元器件之間的分佈參數,也符合混合電路的製造工藝,易於生產。
在混合電路基片上電源和接地的引出焊盤應對稱佈置,最好均勻地分佈許多電源和接地的I/O連接。裸芯片的貼裝區連接到最負的電位平面。
在選用多層混合電路時,電路板的層間安排隨著具體電路改變,但一般具有以下特徵。
(1)電源和地層分配在內層,可視為屏蔽層,可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾,減小高頻電源的分佈阻抗。
(2)板內電源平面和地平面儘量相互鄰近,一般地平面在電源平面之上,這樣可以利用層間電容作為電源的平滑電容,同時接地平面對電源平面分佈的輻射電流起到屏蔽作用。
(3)佈線層應儘量安排與電源或地平面相鄰以產生通量對消作用。
3.3、導線的佈局
在電路設計中,往往只注重提高佈線密度,或追求佈局均勻,忽視了線路佈局對預防干擾的影響,使大量的信號輻射到空間形成干擾,可能會導致更多的電磁兼容問題。因此,良好的佈線是決定設計成功的關鍵。
3.3.1地線的佈局
地線不僅是電路工作的電位參考點,還可以作為信號的低阻抗迴路。地線上較常見的干擾就是地環路電流導致的地環路干擾。解決好這一類干擾問題,就等於解決了大部分的電磁兼容問題。地線上的噪音主要對數字電路的地電平造成影響,而數字電路輸出低電平時,對地線的噪聲更為敏感。地線上的干擾不僅可能引起電路的誤動作,還會造成傳導和輻射發射。因此,減小這些干擾的重點就在於儘可能地減小地線的阻抗(對於數字電路,減小地線電感尤為重要)。
地線的佈局要注意以下幾點:
(1)根據不同的電源電壓,數字電路和模擬電路分別設置地線。
(2)公共地線儘可能加粗。在採用多層厚膜工藝時,可專門設置地線面,這樣有助於減小環路面積,同時也降低了接受天線的效率。並且可作為信號線的屏蔽體。
(3)應避免梳狀地線,這種結構使信號迴流環路很大,會增加輻射和敏感度,並且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。
(4)板上裝有多個芯片時,地線上會出現較大的電位差,應把地線設計成封閉環路,提高電路的噪聲容限。
(5)同時具有模擬和數字功能的電路板,模擬地和數字地通常是分離的,只在電源處連接。
3.3.2、電源線的佈局
一般而言,除直接由電磁輻射引起的干擾外,經由電源線引起的電磁干擾最為常見。因此電源線的佈局也很重要,通常應遵守以下規則。
(1)電源線儘可能靠近地線以減小供電環路面積,差模輻射小,有助於減小電路交擾。不同電源的供電環路不要相互重疊。
(2)採用多層工藝時,模擬電源和數字電源分開,避免相互干擾。不要把數字電源與模擬電源重疊放置,否則就會產生耦合電容,破壞分離度。
(3)電源平面與地平面可採用完全介質隔離,頻率和速度很高時,應選用低介電常數的介質漿料。電源平面應靠近接地平面,並安排在接地平面之下,對電源平面分佈的輻射電流起到屏蔽作用。
(4)芯片的電源引腳和地線引腳之間應進行去耦。去耦電容採用0.01uF的片式電容,應貼近芯片安裝,使去耦電容的迴路面積儘可能減小。
(5)選用貼片式芯片時,儘量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片,可以進一步減小去耦電容的供電迴路面積,有利於實現電磁兼容。
3.3.3、信號線的佈局
在使用單層薄膜工藝時,一個簡便適用的方法是先布好地線,然後將關鍵信號,如高速時鐘信號或敏感電路靠近它們的地迴路佈置,最後對其它電路佈線。信號線的佈置最好根據信號的流向順序安排,使電路板上的信號走向流暢。
如果要把EMI減到最小,就讓信號線儘量靠近與它構成的迴流信號線,使迴路面積儘可能小,以免發生輻射干擾。低電平信號通道不能靠近高電平信號通道和無濾波的電源線,對噪聲敏感的佈線不要與大電流、高速開關線平行。如果可能,把所有關鍵走線都佈置成帶狀線。不相容的信號線(數字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等)應相互遠離,不要平行走線。信號間的串擾對相鄰平行走線的長度和走線間距極其敏感,所以儘量使高速信號線與其它平行信號線間距拉大且平行長度縮小。
導帶的電感與其長度和長度的對數成正比,與其寬度的對數成反比。因此,導帶要儘可能短,同一元件的各條地址線或數據線儘可能保持長度一致,作為電路輸入輸出的導線儘量避免相鄰平行,最好在之間加接地線,可有效抑制串擾。低速信號的佈線密度可以相對大些,高速信號的佈線密度應儘量小。
在多層厚膜工藝中,除了遵守單層佈線的規則外還應注意:
儘量設計單獨的地線面,信號層安排與地層相鄰。不能使用時,必須在高頻或敏感電路的鄰近設置一根地線。分佈在不同層上的信號線走向應相互垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾;同一層上的信號線保持一定間距,最好用相應地線迴路隔離,減少線間信號串擾。每一條高速信號線要限制在同一層
上。信號線不要離基片邊緣太近,否則會引起特徵阻抗變化,而且容易產生邊緣場,增加向外的輻射。
3.3.4、時鐘線路的佈局
時鐘電路在數字電路中佔有重要地位,同時又是產生電磁輻射的主要來源。一個具有2ns上升沿的時鐘信號輻射能量的頻譜可達160MHz。因此設計好時鐘電路是保證達到整個電路電磁兼容的關鍵。關於時鐘電路的佈局,有以下注意事項:
(1)不要採用菊花鏈結構傳送時鐘信號,而應採用星型結構,即所有的時鐘負載直接與時鐘功率驅動器相互連接。
(2)所有連接晶振輸入/輸出端的導帶儘量短,以減少噪聲干擾及分佈電容對晶振的影響。
(3)晶振電容地線應使用盡量寬而短的導帶連接至器件上;離晶振最近的數字地引腳,應儘量減少過孔。
4、結束語
本文詳細闡述了混合集成電路電磁干擾產生的原因,並結合混合集成電路的工藝特點提出了系統電磁兼容設計中應注意的問題和採取的具體措施,為提高混合集成電路的電磁兼容性奠定了基礎。
文章創新點:從提高系統電磁兼容性出發,結合混合集成電路工藝特點,提出了在混合集成電路設計中應注意的問題和採取的具體措施。
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