摘要： 晶体管和集成电路等有源元件使用来自电源的能量来改变信号。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并且确实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。本应用笔记是 3 部分系列的最后一篇，讨论了印刷电路板以及由于无源元件实际上并非如此无源而可能发生的错误。

另请参阅：
无源元件并非真的那么无源
第 1 部分：电容器
第 2 部分：电阻器

有时隐藏某些东西的最好方法是在明显的视野中。魔术师使用这种技术和一些分散注意力的方法来让观众惊叹（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所期待的。因此，盒子是方形的，而不是挤压的平行四边形；球体是对称的，不是半球体，也不是在看不到的背面有细长部分。在同样的意义上，印刷电路板 (PCB) 看起来很简单。你认为你可以看到正在发生的一切，但实际上你只是在看外表面上的电路。事实上，如果你深入到电路板本身，你会发现复杂的层和结构以及无数可能出错的地方。当高精度运算放大器和高分辨率数据转换器无法按预期运行时，我们需要仔细检查所有周围的有源和无源元件，包括 PCB。

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 缺陷和错误如何将被动错误引入 IC 性能。

要了解 PCB 如何引入被动错误，我们必须首先检查典型电路板的组成。四个 PCB 问题示例以及解决这些隐藏错误的努力将帮助我们了解一个优秀可靠的 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已经引发了一些关于“被动”定义的热烈讨论。在我们寻找更多知识和消息灵通的工程师的过程中，我们对此感到非常高兴。

图 1. 魔术师和他的助手通过分散注意力来帮助“推销”幻觉。

让我们看看我们查看图 1 的程度和仔细程度。您注意到 PCB 组装了吗？是的？不？它就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。当您直接查看典型电路板时（图 2），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-232”标签的 RJ-45 连接器。我们看到一个用于开关电源的电感器和电解电容器、几个大规模集成电路 (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。正确的？是的，但我们并没有真正看到裸露的 PCB 本身，这就是故事的开始。

正如我们在一开始所说的那样，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 供应商现在对我们来说非常重要。材料、FR4 中的编织密度、聚合物、通孔结构、给定蚀刻方法的最小走线结构、镀锡板和阻焊层选择有很多选择。我们可能会指定一种很难找到的 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，甚至会使电路板成本翻倍。我们受人尊敬的 PCB 供应商将了解资源、可用的通孔构造方法或为我们的应用推荐的组装方法。这种关系绝对没有什么被动的。当我们告诉供应商我们关心电路板质量时，

是的，板子——你从玻璃纤维开始。顶层和底层（通常是工业类型的 FR4）在 PCB 外部有铜。中间层是铜，两面都是FR4，因此包括两个内部导电层。预浸料实际上是将堆栈粘合在一起的胶水；它可以只是粘合剂，也可以是 FR4 玻璃纤维和热固性粘合剂的组合。在制造过程中，图 3中的叠层将在热和压力下被压缩以将各层粘合在一起。

图 3. 是典型的四层 PCB 叠层。

构造顺序可能因许多事情而异。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，出自 Coombs。1他详细介绍了 PCB 制造工艺，概述了数百种变化和可能性。就在您被彻底吓倒时，您会进入附录。附录中的知识非常丰富，列出了与所有 PCB 有关的行业标准。它带您从包括表面贴装、通用和无源元件在内的元件，到印制板、材料、设计活动，再到元件安装和焊接，并通过质量评估、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 示例发生在对裸板进行针床测试之前，或者为了节省时间而取消了该测试之后——这总是会惩罚我们的不良做法。你能猜出我们在每个例子中发现的错误吗？

示例 1：过度蚀刻
我们收到 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使随机事物短路的微小铜片。同时，我们发现电路性能存在巨大的“无源”问题（至少我们通常认为 PCB 是无源的）。没有任何电路可以与几十个随机短路一起工作。因为这些短裤是随机的并且在每块板上都不同，所以这是故障排除的噩梦。我们对 PCB 进行了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. 带有过度蚀刻的薄铜边缘的 PCB 部分，这些边缘会断裂成细长的碎片并与相邻的走线短路。

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，则会在“拐角处”蚀刻掉铜（图 4B）。长而细的碎片会折断顶部边缘，在一端保持连接，并与相邻的走线短路。

仔细观察我们的电路板，我们看到两个呈 90 度角的磨擦划痕图案。供应商使用了带有嵌入磨料的聚合物砂轮。他们试图通过在每侧两次磨削板来擦掉碎片。他们确实移除了大部分碎片，但随后他们对电路板进行了焊接涂层，这使得剩余的碎片成为固体随机短裤。添加阻焊层隐藏了短裤和大多数磨痕。

示例 2：方向
我们收到一块带有阻焊层和顶部丝印的双面 PCB，并用通孔部件手工组装了一块电路板。没有任何效果。我们对所谓的无源 PCB 有一个严重的问题：所有三个电源都在多个地方短路。没有任何意义；几十个电路块根本没有一个起作用。技术人员尝试了，但最终还是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，通常在丝印轮廓中形成三角形的晶体管的三个引线被扭曲和扭曲。仔细观察阻焊层下方，我们发现丝印和电路板底部方向正确，但电路板顶部元件铜侧是镜像。当阻焊剂曝光时，用于制作正面图像的薄膜是颠倒的。

示例 3：找到您的方式
我们收到了与上述示例 2 相同的四层板，但存在类似问题。再次，许多迹线连接到错误的东西，电源在多个地方短路，并且没有任何东西（没有电路块）起作用。通常当出现电路板错误时，至少有一些电路起作用。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很困惑。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。那次测试会为我们节省几天的精力。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。因此，我们添加了一个边缘代码（图 5），以便我们可以检查电路板。

图 5. 右侧带有交错边缘代码的 PCB 铜层。

实现代码后，我们可以快速检查板层顺序，避免浪费时间在板上填充组件。

图 5 的代码延伸到 PCB 的边缘。电路板通常在由许多较小 PCB 制成的较大面板中制造，以简化制造过程中的处理。使用路由器将各个板分开，从而将图 5 代码暴露在板的边缘。显微镜可以让我们测量铜间距，看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：正确的厚度，但不是正确的答案
我们收到了一块四层板。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 的同轴电缆。同轴电缆是绝缘电介质内的中心导体，周围有圆形接地屏蔽。除了屏蔽信号免受外部污染外，同轴电缆和带状线还提供了一个已知的阻抗信号路径，当终止于其特征阻抗时，它不会反射能量。如果 PCB 构造不当，阻抗变化会导致反射和振铃，从而破坏模拟信号，甚至会混淆数字信号。

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，并从库存中替换了额外的预浸料层，从而使总厚度正确。这听起来像是一个很好的“修复”，但绝对不是这样。回头看看图 4。假设两面都有铜的中心层被更薄的材料代替。由于电介质更薄，这两层之间的电容会增加。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层厚度来进行补偿。这将降低顶部铜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，这可能不是真的。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 现在正在响铃。您可以说“再见”以表示完整性。

显然，一个看不见的、理所当然的、随心所欲的 PCB 对精密电路性能产生了相当大的影响。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过孔、平面或箔中的电压降和阻抗；抗渗漏性和吸湿性；和杂散电容，具有受欢迎的介电吸收或浸泡。

电压
降 接地过孔、平面或箔中的电压降是一个经常被忽视的问题。使问题更加复杂的是，直流和高频电压降需要不同的补救措施。回忆一下 Coombs 手册，第2章第 10 章的迹线与电容和串扰，第 13 章的电压和接地铜厚度与薄层电阻。对于通过阻抗，我们期待 Sayre：3

L = 5.08h [ln (4h/d) + 1]

其中：
L = 通孔的电感，nH
h = 通孔的长度，英寸
d = 通孔的直径，英寸

使用 h = 0.0625 英寸和 d = 0.020 英寸可以得到 0.666µH 的过孔电感。我们怎样才能减少这种电感？平行放置两个、四个或更多过孔。

这是一个很好的一阶近似，在考虑几百兆赫以下的信号完整性时很有用。有关当前返回路径的更多细节和考虑，我们转向霍华德·W·约翰逊和他的“黑魔法”系列。4

泄漏电阻
PCB 的泄漏电阻5会干扰敏感的高阻抗电路。泄漏的来源包括层压材料选择不当、指纹、皮肤油脂、人的呼吸、残留的制造化学品、清洁不当的焊剂以及表面水分和湿度。如果这对您的电路来说是个问题，请考虑表面和表面下的污染和吸湿现象无处不在，无论是在阻焊层之上、之中还是之下；在保形涂层之上、之中或之下；在主动或被动元件上或之中。

在对现有 PCB 进行故障排除时，请记住一位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。用适当的溶剂彻底清洁电路板很重要。错误的溶剂，例如用极性溶剂清洗水溶性助焊剂，可能会在板上留下盐分。如果用去离子水清洗电路板，请烘烤电路板使其干燥。即使是现在，你可能还没有完成。即使是最干净的电路板也可能会引起问题。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，可能需要额外注意。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。6

杂散电容
电容通常是杂散且不可避免的问题。它降低了带宽并减慢了高速信号。当介电吸收或浸水7导致挂钩、转换速率错误或欠冲/过冲时，这是很糟糕的。然而，当它是高频电源去耦时，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的电介质（甚至是薄的 FR4）来增加电容。小于 10pF 的分立电容器（表面贴装时在 ~2GHz 下自谐振）很容易受到走线和过孔电感的影响。如果电容分布在电源层和接地层之间，它具有低串联电感，并且如果我们有一个“黄金”优秀的 PCB 供应商，它是可重复的。

让我们回想一下我们打开魔术师的神秘盒子，里面有隐藏的技巧。我们期待某些规范，看看我们期待什么。当谈到 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普通检查员想象的要复杂得多，在这种复杂性中存在潜在的 PCB 缺陷和错误。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 中引入被动错误。我们只检查了电压降、漏电流和杂散电容，但潜在的无源错误列表确实更长。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，我们都可以欣赏到优秀可靠的 PCB 供应商对我们成功产品的贡献。