高速PCB设计指南(0)
一、关于“层”的定义（layer）
在电路板设计中，「层」并非虚拟概念，而是指板材本身实际存在的铜箔层面。 随着电子产品功能日益复杂，元件排列愈发密集，加上抗干扰与布线需求，现代电路板不再只有上下两面可供使用。 许多新型电子设备采用的电路板，在板材中间还设置了经过特殊处理的夹层铜箔。 以光通PCB为例，通常使用四层以上的板材结构。
这些内层因为加工难度较高，多半规划为电源配置层（例如接地层与电源层），并且经常采用大面积铺铜的方式进行布线。 当上下表面层与内层需要相互连接时，就必须通过「导通孔」来建立电气链接。
特别是在设计光通讯模组电路板时，层的规划更显重要。 光收发模块的高速讯号线路必须在特定层进行布线，以确保信号完整性。 通常会将高速差分讯号配置在外层，中间层作为参考接地层，形成良好的讯号传输结构。
二、导通孔的运用 （ Via）
为了连接各层之间的线路，需要在各层相交处钻出共享孔，这就是导通孔。 制作时会在孔壁以化学沉积方式镀上金属层，用来连通各层铜箔。 导通孔的上下两面会做成标准焊垫形状，可以直接与表面线路连接，也可以不连接。
设计线路时，处理导通孔应遵循以下原则：
第一，尽量减少导通孔数量。 使用导通孔时，必须妥善处理它与周围结构的间距，特别是容易忽略的内层线路与导通孔之间的距离。 如果采用自动布线，可以在设定中开启「导通孔最小化」选项来自动处理。
在光通信模块的高速信号路径上，导通孔的使用需要格外谨慎。 每个导通孔都会造成阻抗不连续，产生信号反射与损耗。 对于10Gbps以上的高速讯号，应该尽可能避免在差分对上使用导通孔。 如果无法避免，导通孔必须对称配置，并且孔径要经过精确计算以匹配线路阻抗。 激光驱动电路与光检测器的讯号线路特别敏感，这些区域的导通孔设计更需要严格控管。
第二，所需承载的电流越大，导通孔尺寸就要越大。 例如电源层与接地层连接其他层时使用的导通孔就应该较大。 光模组中的雷射驱动电路与TIA放大器的电源供应线路，由于需要提供稳定且低噪声的电源，其导通孔尺寸与数量都必须充足，以降低电源路径阻抗。
三、印刷层的规划
为了方便电路板的安装与维修，会在板子上下两面印刷必要的标记图案与文字代号，例如组件编号、规格值、外框形状、厂商标志、生产日期等信息。
许多初学者在设计丝印层时，只注重文字符号的整齐美观，却忽略了实际制作出来的效果。 常见的问题包括：文字被元件遮挡、侵入助焊区域而被遮盖，或是将组件编号标示在相邻元件上等，这些设计都会给组装和维修带来困扰。
正确的丝印层文字配置原则是：「清楚明确、善用空间、美观大方」。 在光通信模块设计中，还需要特别标示光纤连接方向、极性标记（TX/RX）以及光功率等级等重要信息，这些标记对于后续组装与测试至关重要。
四、表面黏著元件的特性
元件库中有许多表面黏着元件封装。 这类元件除了体积小巧，最大特点是引脚单面分布。 因此选用时必须明确定义组件所在面，以免发生引脚遗失的问题。 此外，这类元件的文字标注只能放置在组件所在的同一面。
光通讯模块中常用的ROSA 和TOSA，其高频特性要求焊垫设计必须精确。 这些器件的接地焊垫通常需要加大面积，以提供良好的散热路径与射频接地。
五、网状铺铜与实心铺铜
网状铺铜是将大面积铜箔处理成网格状，实心铺铜则是完整保留铜箔。 初学者在设计过程中，在电脑屏幕上往往看不出两者差别，但只要将画面放大就能清楚分辨。
正因为平常不容易察觉差异，使用时更容易混淆。 必须强调的是，网状铺铜在电路特性上具有较强的高频干扰抑制效果，适合用于需要大面积铺铜的地方，特别是作为屏蔽区、隔离区或大电流电源线时更为合适。 实心铺铜则多用于一般线路末端或转角处等需要小面积填充的位置。
在光通信模块的设计中，接地层的铺铜方式选择极为关键。 高速讯号区域建议使用实心铺铜作为参考接地面，以提供连续的返回电流路径，减少信号完整性问题。 而在低速控制电路区域，可以使用网状铺铜来平衡散热与电气性能。 特别注意的是，激光驱动IC与TIA周边的接地层必须使用实心铺铜，并且透过多点导通孔与主接地层紧密连接，形成低阻抗的接地网络。
六、焊垫的选择（pad）
焊垫是电路板设计中最常接触也最重要的概念，但初学者容易忽略其选择和修正，设计时一律使用圆形焊垫。 选择组件焊垫类型时，应该综合考虑组件的形状、尺寸、配置方式、震动与受热状况、受力方向等因素。
封装库中提供了各种不同尺寸和形状的焊垫，例如圆形、方形、八角形、圆方形和定位用焊垫等，但有时仍需自行编辑。 例如，针对发热量大且承受较大应力、电流较大的焊垫，可以设计成「水滴状」，在彩色电视机电路板的行输出变压器引脚焊垫设计中，许多厂商就采用这种形式。
自行编辑焊垫时，除了上述考量外，还需注意以下原则：
首先，形状长短不一致时，要考虑连线宽度与焊垫特定边长的差异不能过大。
其次，需要在组件引脚之间布线时，选用长短不对称的焊垫往往能达到事半功倍的效果。
第三，各组件焊垫孔的尺寸要根据引脚粗细分别编辑确定，原则上孔的尺寸应比引脚直径大0.2至0.4毫米。
光通讯模块中的高速信号焊垫设计需要特别处理。 差分讯号对的焊垫必须严格对称配置，间距与尺寸都要精确控制以维持阻抗匹配，以降低高频损耗。 此外，这些高频组件的接地焊垫建议使用多个小导通孔分散配置，而非单一大导通孔，以减少接地电感效应。
七、防焊与助焊处理
这些处理层不仅是电路板制作过程中不可或缺的，更是组件焊接的必要条件。 依照处理层所在位置及作用，可分为元件面（或焊接面）助焊层与组件面（或焊接面）防焊层两类。
顾名思义，助焊层是涂抹在焊垫上，用来提升可焊性的涂层，也就是在绿色板子上比焊垫稍大的浅色圆形区域。 防焊层的情况正好相反，为了使制作完成的板子适合波峰焊等焊接方式，要求板子上除了焊垫以外的铜箔不能沾锡，因此在焊垫以外的各处都要涂覆一层材料，用来阻止这些部位上锡。 可见，这两种处理层是互补关系。
在光模组设计中，高频讯号线路周围的防焊层处理需要特别注意。 适当的防焊可以降低寄生电容，改善讯号质量。
八、光通讯模块的高速讯号走线设计
光通讯模块的核心在于高速信号的完整传输，走线设计直接影响系统效能。 以下是关键的布线策略：
首先是差分讯号对的处理。 光模组中TX与RX的差分信号必须采用紧密耦合的平行走线，线宽与间距要经过精确计算以达到特定阻抗值（通常为100欧姆差模阻抗）。 差分对的长度必须严格匹配，一般要求误差在5密尔以内。 走线过程中要避免任何会破坏对称性的设计，例如单侧过孔或不对称的弯曲。
其次是讯号隔离与屏蔽。 高速差分信号之间需要保持足够的间距，建议至少为3倍线宽，以降低串音干扰。 在多路光模组（如QSFP或OSFP）设计中，各通道之间最好使用接地隔离带分隔，这些隔离带要透过多点导通孔与接地层连接，形成有效的电磁屏蔽。
第三是参考层的连续性。 高速讯号线路下方必须有完整的参考接地层或电源层，绝对不能有分割或间隙。。
第四是转角处理。 高速讯号走线应该避免直角转弯，建议采用45度斜角或圆弧转角。 差分对转弯时要采用对称弧形设计，确保两条线路长度保持一致。
第五是线宽变化处理。 当高速信号需要改变线宽时（例如从BGA扇出到主要传输线路），应该使用渐变过渡而非突变，过渡区长度建议为线宽差的3到5倍。
最后是杂散电容控制。 在激光驱动与光检测器的关键路径上，要特别注意降低寄生电容。 这些细节处理对于10Gbps以上的高速光模块特别重要。
Q1：在电路板设计中，「层」（Layer） 的实际意义是什么？ 为什么在光通讯模块设计中特别重要？
一个：
「层」指的是PCB板材内部实际存在的铜箔层，而不是虚拟概念。
随着电子产品密度与信号频率提升，多层板成为主流。 光通讯模块常使用 4 层以上结构，外层用于高速差分讯号，内层则作为接地或电源层。
这样的配置可确保高速信号具备良好的回流路径与阻抗控制，是维持信号完整性与降低干扰的关键。
Q2：导通孔 （Via） 在高速光通讯模块中有什么影响？ 该如何正确设计？
A：
导通孔负责连接不同层的线路，但在高速设计中，它会造成阻抗不连续与反射。
对于 10 Gbps 以上的信号，应尽量避免使用导通孔; 若无法避免，需采对称配置并精确计算孔径，以匹配阻抗。
此外，电源与接地层的导通孔应加大尺寸与数量，以确保足够电流承载能力并降低电源噪声。
Q3：为什么在光通讯模块中，实心铺铜与网状铺铜要区分使用？
A：
实心铺铜提供连续的接地面与稳定的回流路径，适合高速区域使用（如激光驱动与 TIA 区域），能减少信号损耗与干扰。
网状铺铜则兼顾散热与抗干扰，适合低速控制电路或大面积电源区。
正确选择铺铜方式可兼顾高频效能、散热与EMI抑制。
Q4：高速讯号走线有哪些设计原则？
A：
高速讯号设计需遵守以下几项原则：
- 差分对走线：保持紧密平行、阻抗100 Ω、长度误差≤5 mil。
- 隔离与屏蔽：通道间距 ≥ 3×线宽，并以接地带隔离。
- 连续参考层：避免分割或缺口。
- 转角与线宽过渡：采45°或弧形转角，线宽变化要渐进。
- 寄生电容控制：特别在激光驱动与 PD 路径上需最小化。
这些原则能显著降低串音、反射与损耗。
Q5：在光通信模块的焊垫 （Pad） 设计上有哪些特别要求？
A：
高速差分讯号焊垫需 对称且尺寸精准，以维持阻抗匹配。
接地焊垫则建议使用多个小导通孔分散配置，降低电感效应。
对于高功率或高电流元件（如激光驱动），可采「水滴状焊垫」以强化机械与热稳定性。
这些细节能有效提升焊接可靠度与信号完整性。
本篇作者-诠鼎集团-卢卡斯
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