單塊 PCB 能夠實現(xiàn)的功能太多了：尺寸微型化以及單個芯片上能容納的晶體管數量不斷增加，這些趨勢都在挑戰(zhàn)物理極限。這種挑戰(zhàn)還延伸到了系統(tǒng)層面：電子系統(tǒng)設計的復雜性有增無減，因此多板 PCB 設計變得越來越有必要。

支持多板 PCB 系統(tǒng)設計需要克服一系列挑戰(zhàn)，尤其是 3D 空間中的器件組裝，因為維度不再由平面內的輪廓和擠壓出的 z 軸所約束。分區(qū)、電路板內的連接，以及 EMI 問題都在 3D PCB 設計中發(fā)揮重要作用。

單板或多板系統(tǒng)的 3D PCB 設計通過檢查散熱和機械約束來減少修改時間

2D 與 3D 電路板設計挑戰(zhàn)：

01

3D PCB 設計的組件分區(qū)

從物理角度，分區(qū)是指將器件按照功能和附近的電路（根據原理圖）進行分組。可以將器件及其支持的電路看作一個功能子系統(tǒng)。例如，一塊主板可以進一步劃分為幾個功能單元，如處理器時鐘邏輯、總線控制器、總線接口、存儲器、視頻/音頻處理模塊，以及外圍設備 (I/O)。

點擊下方視頻，觀看 RF 分區(qū)在設計中的應用：

*本視頻可能錄制于產品用戶界面更新之前，也可能基于更早版本錄制；視頻中的概念和工作流程仍適用于產品當前最新版本。

在多板 PCB 設計中，分區(qū)完成之后，可以將器件組擺放在不同的電路板上。有選擇性地擺放器件好處多多：

EMC（電磁兼容性）- 通過最佳實踐減少 EMI 問題，如分離模擬電路和數字電路、將高速信號和上升時間信號與周圍線路隔離、利用包地和增加縫合孔的方案。

成本 - 對于需要采用更昂貴的多層電路板架構的功能電路，使用小型電路板與主電路板有助于降低成本。

模塊化 - 設計多種產品有助于節(jié)省時間和金錢，將模塊化的標準化單元整合到系統(tǒng)中，根據需要為基本電路板增加功能（如 Arduino 芯片組中的屏蔽層）。

外殼要求 - 考慮到設備外殼的物理尺寸和形狀，將所有電路擺放在單塊電路板上有時是不切實際的。

3D PCB 設計需要工程師發(fā)揮創(chuàng)造力，巧妙地將電壓和電流要求各不相同的多個器件整合到一個功能設計之中。

管理系統(tǒng)設計可以從確定電路板分區(qū)開始。

02

電氣系統(tǒng)設計和電路板內部連接

為電氣系統(tǒng)選擇連接器，不僅僅是根據生產預算選擇最佳連接器。連接器具有多個方面，在某些設計方案中，為了滿足特定的電源需求，連接器可以決定設計成敗。電路板內部的連接器是多板 PCB 設計的基石。讓我們簡要了解一下不同的板內連接器：

電路板到電路板 - 公/母和引腳/插座接頭是目前最常見的板對板連接器類型。此類連接器價格低廉，并不是高速電路的理想之選。但是，可以通過增加引腳數量和使用多個引腳來處理更大的電流。一條經驗法則是：留意制造商每個引腳的額定電流處理能力。

卡邊緣連接器 - 一塊電路板邊緣處的走線可插入另一塊電路板上的匹配插座，使兩塊電路板相互垂直?？ㄟ吘夁B接器通常用作主板、背板或 riser 卡上的擴展插槽；PCI-e（外圍組件快速互連）插槽就是一個很好的例子，它可以為電腦增加更多內存。耐腐蝕的金觸點可直接接觸電路板上的走線，是高速數字信號電路的理想選擇。

電路板到線束 - 在許多情況下，可能需要將電纜和電線連接到電路板上。服務器機房特有的 FFC（柔性薄膜電纜）、FPC（柔性印刷電纜）和帶狀連接器就是其中的典型示例。

直接焊接 - “城堡”形過孔可用于創(chuàng)建易于焊接在一起的 PCB 模塊。這種方法尤其適用于將小型無線模塊連接到較大的電路板上。只需確保遵循高焊接標準，如 IPC-A-610 或 J-STD-001。

柔性電路 - 柔性電路可增加成本和制造復雜性，同時兼具元件組件和線束的優(yōu)點。柔性電路的延展性意味著它們可以更有效地填充外殼內狹小受限的三維空間。

無論是設計需要垂直堆疊 PCB，還是需要將電路板滑入機架或背板，都必須保持電路板之間的連接，這種連接既不能受鄰近線路信號質量的影響，也不能對鄰近線路的信號質量產生影響。

03

降低高速電路中的電磁干擾

EMC/EMI 問題是多板 PCB 設計的主要驅動因素之一。只要存在電量和天線，就會產生電磁干擾 (EMI)。隨著消費者對網絡速度和帶寬的要求不斷提高，制造商需要不斷提高電子產品的性能，這意味著高速信號電路將變得越來越普遍。

設備中有如此多的器件同時運行，必然會在多板系統(tǒng)中引發(fā) EMI 問題。

多板設計為適應 EMI/EMC 最佳實踐提供了更多空間：將模擬信號和數字信號分開，避免在狹窄的電路板上出現(xiàn)直角走線，以及根據需要使用多層電路板，提高經濟效益。同時，多板設計也帶來了新的問題，需要將分析范圍從單板擴展到電路板之間的連接和整個系統(tǒng)。

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3D PCB 設計注意事項

多板設計就像一個昂貴的 3D 拼圖。組成系統(tǒng)的每塊電路板都必須安裝在一個物理外殼或機箱中。最糟糕的情況莫過于：繪制了“完美”的 CAD 圖紙，采購了所有材料、零件和連接器，卻在組裝當天發(fā)現(xiàn) 3D 間隙不正確。更糟糕的是：沒有為適當通風留出足夠的空間，導致產品出現(xiàn)與熱有關的性能問題和老化問題。

幸運的是，設計人員可以借助專業(yè)的軟件工具跟蹤這些拼圖，采用整體性的方法進行多板 PCB 設計，對所有電路板、連接器、電纜、插座和其他結構進行信號完整性分析。

Cadence Allegro PCB 設計工具（如 3D Step Viewer）支持復雜的子組件，即使在單板產品上也能確認外殼間隙，layout 團隊可以縮短最具挑戰(zhàn)性的 3D PCB 設計的周轉時間。