高速PCB設計指南(0)

一、關於「層」的定義（layer）

在電路板設計中，「層」並非虛擬概念，而是指板材本身實際存在的銅箔層面。隨著電子產品功能日益複雜，元件排列愈發密集，加上抗干擾與佈線需求，現代電路板不再只有上下兩面可供使用。許多新型電子設備採用的電路板，在板材中間還設置了經過特殊處理的夾層銅箔。以光通PCB為例，通常使用四層以上的板材結構。

這些內層因為加工難度較高，多半規劃為電源配置層（例如接地層與電源層），並且經常採用大面積鋪銅的方式進行佈線。當上下表面層與內層需要相互連接時，就必須透過「導通孔」來建立電氣連結。

特別是在設計光通訊模組電路板時，層的規劃更顯重要。光收發模組的高速訊號線路必須在特定層進行佈線，以確保訊號完整性。通常會將高速差分訊號配置在外層，中間層作為參考接地層，形成良好的訊號傳輸結構。

二、導通孔的運用 (Via)

為了連接各層之間的線路，需要在各層相交處鑽出共用孔，這就是導通孔。製作時會在孔壁以化學沉積方式鍍上金屬層,用來連通各層銅箔。導通孔的上下兩面會做成標準焊墊形狀，可以直接與表面線路連接，也可以不連接。

設計線路時，處理導通孔應遵循以下原則：

第一，盡量減少導通孔數量。使用導通孔時，必須妥善處理它與周圍結構的間距，特別是容易忽略的內層線路與導通孔之間的距離。如果採用自動佈線，可以在設定中開啟「導通孔最小化」選項來自動處理。

在光通訊模組的高速訊號路徑上，導通孔的使用需要格外謹慎。每個導通孔都會造成阻抗不連續，產生訊號反射與損耗。對於10Gbps以上的高速訊號，應該盡可能避免在差分對上使用導通孔。如果無法避免，導通孔必須對稱配置，並且孔徑要經過精確計算以匹配線路阻抗。雷射驅動電路與光檢測器的訊號線路特別敏感，這些區域的導通孔設計更需要嚴格控管。

第二，所需承載的電流越大，導通孔尺寸就要越大。例如電源層與接地層連接其他層時使用的導通孔就應該較大。光模組中的雷射驅動電路與TIA放大器的電源供應線路，由於需要提供穩定且低雜訊的電源，其導通孔尺寸與數量都必須充足，以降低電源路徑阻抗。

三、印刷層的規劃

為了方便電路板的安裝與維修，會在板子上下兩面印刷必要的標記圖案與文字代號，例如元件編號、規格值、外框形狀、廠商標誌、生產日期等資訊。

許多初學者在設計絲印層時，只注重文字符號的整齊美觀，卻忽略了實際製作出來的效果。常見的問題包括：文字被元件遮擋、侵入助焊區域而被遮蓋，或是將元件編號標示在相鄰元件上等，這些設計都會給組裝和維修帶來困擾。

正確的絲印層文字配置原則是：「清楚明確、善用空間、美觀大方」。在光通訊模組設計中，還需要特別標示光纖連接方向、極性標記（TX/RX）以及光功率等級等重要資訊，這些標記對於後續組裝與測試至關重要。

四、表面黏著元件的特性

元件庫中有許多表面黏著元件封裝。這類元件除了體積小巧，最大特點是引腳單面分布。因此選用時必須明確定義元件所在面，以免發生引腳遺失的問題。此外，這類元件的文字標註只能放置在元件所在的同一面。

光通訊模組中常用的ROSA 和TOSA ，其高頻特性要求焊墊設計必須精確。這些元件的接地焊墊通常需要加大面積，以提供良好的散熱路徑與射頻接地。

五、網狀鋪銅與實心鋪銅

網狀鋪銅是將大面積銅箔處理成網格狀，實心鋪銅則是完整保留銅箔。初學者在設計過程中，在電腦螢幕上往往看不出兩者差別，但只要將畫面放大就能清楚分辨。

正因為平常不容易察覺差異，使用時更容易混淆。必須強調的是，網狀鋪銅在電路特性上具有較強的高頻干擾抑制效果，適合用於需要大面積鋪銅的地方，特別是作為屏蔽區、隔離區或大電流電源線時更為合適。實心鋪銅則多用於一般線路末端或轉角處等需要小面積填充的位置。

在光通訊模組的設計中，接地層的鋪銅方式選擇極為關鍵。高速訊號區域建議使用實心鋪銅作為參考接地面，以提供連續的返回電流路徑，減少訊號完整性問題。而在低速控制電路區域，可以使用網狀鋪銅來平衡散熱與電氣性能。特別注意的是，雷射驅動IC與TIA周邊的接地層必須使用實心鋪銅，並且透過多點導通孔與主接地層緊密連接，形成低阻抗的接地網路。

六、焊墊的選擇（pad）

焊墊是電路板設計中最常接觸也最重要的概念，但初學者容易忽略其選擇和修正，設計時一律使用圓形焊墊。選擇元件焊墊類型時，應該綜合考慮元件的形狀、尺寸、配置方式、震動與受熱狀況、受力方向等因素。

封裝庫中提供了各種不同尺寸和形狀的焊墊，例如圓形、方形、八角形、圓方形和定位用焊墊等，但有時仍需自行編輯。例如，針對發熱量大且承受較大應力、電流較大的焊墊，可以設計成「水滴狀」，在彩色電視機電路板的行輸出變壓器引腳焊墊設計中，許多廠商就採用這種形式。

自行編輯焊墊時，除了上述考量外，還需注意以下原則：

首先，形狀長短不一致時，要考慮連線寬度與焊墊特定邊長的差異不能過大。

其次，需要在元件引腳之間佈線時，選用長短不對稱的焊墊往往能達到事半功倍的效果。

第三，各元件焊墊孔的尺寸要根據引腳粗細分別編輯確定，原則上孔的尺寸應比引腳直徑大0.2至0.4公釐。

光通訊模組中的高速訊號焊墊設計需要特別處理。差分訊號對的焊墊必須嚴格對稱配置，間距與尺寸都要精確控制以維持阻抗匹配，以降低高頻損耗。此外，這些高頻元件的接地焊墊建議使用多個小導通孔分散配置，而非單一大導通孔，以減少接地電感效應。

七、防焊與助焊處理

這些處理層不僅是電路板製作過程中不可或缺的，更是元件焊接的必要條件。依照處理層所在位置及作用，可分為元件面（或焊接面）助焊層與元件面（或焊接面）防焊層兩類。

顧名思義，助焊層是塗抹在焊墊上，用來提升可焊性的塗層，也就是在綠色板子上比焊墊稍大的淺色圓形區域。防焊層的情況正好相反，為了使製作完成的板子適合波峰焊等焊接方式，要求板子上除了焊墊以外的銅箔不能沾錫，因此在焊墊以外的各處都要塗覆一層材料，用來阻止這些部位上錫。可見，這兩種處理層是互補關係。

在光模組設計中，高頻訊號線路周圍的防焊層處理需要特別注意。適當的防焊可以降低寄生電容，改善訊號品質。

八、光通訊模組的高速訊號走線設計

光通訊模組的核心在於高速訊號的完整傳輸，走線設計直接影響系統效能。以下是關鍵的佈線原則：

首先是差分訊號對的處理。光模組中TX與RX的差分訊號必須採用緊密耦合的平行走線，線寬與間距要經過精確計算以達到特定阻抗值（通常為100歐姆差模阻抗）。差分對的長度必須嚴格匹配，一般要求誤差在5密爾以內。走線過程中要避免任何會破壞對稱性的設計，例如單側過孔或不對稱的彎曲。

其次是訊號隔離與屏蔽。高速差分訊號之間需要保持足夠的間距，建議至少為3倍線寬，以降低串音干擾。在多路光模組（如QSFP或OSFP）設計中，各通道之間最好使用接地隔離帶分隔，這些隔離帶要透過多點導通孔與接地層連接，形成有效的電磁屏蔽。

第三是參考層的連續性。高速訊號線路下方必須有完整的參考接地層或電源層，絕對不能有分割或間隙。。

第四是轉角處理。高速訊號走線應該避免直角轉彎，建議採用45度斜角或圓弧轉角。差分對轉彎時要採用對稱弧形設計，確保兩條線路長度保持一致。

第五是線寬變化處理。當高速訊號需要改變線寬時（例如從BGA扇出到主要傳輸線路），應該使用漸變過渡而非突變，過渡區長度建議為線寬差的3到5倍。

最後是雜散電容控制。在雷射驅動與光檢測器的關鍵路徑上，要特別注意降低寄生電容。這些細節處理對於10Gbps以上的高速光模組特別重要。 

Q1：在電路板設計中，「層」(Layer) 的實際意義是什麼？為什麼在光通訊模組設計中特別重要？

A：

Q2：導通孔 (Via) 在高速光通訊模組中有什麼影響？該如何正確設計？

A：
導通孔負責連接不同層的線路，但在高速設計中，它會造成阻抗不連續與反射。
對於 10 Gbps 以上的訊號，應盡量避免使用導通孔；若無法避免，需採 對稱配置 並精確計算孔徑，以匹配阻抗。
此外，電源與接地層的導通孔應加大尺寸與數量，以確保足夠電流承載能力並降低電源雜訊。

Q3：為什麼在光通訊模組中，實心鋪銅與網狀鋪銅要區分使用？

A：
實心鋪銅提供連續的接地面與穩定的回流路徑，適合高速區域使用（如雷射驅動與 TIA 區域），能減少訊號損耗與干擾。
網狀鋪銅則兼顧散熱與抗干擾，適合低速控制電路或大面積電源區。
正確選擇鋪銅方式可兼顧 高頻效能、散熱與 EMI 抑制。

Q4：高速訊號走線有哪些設計原則？

A：
高速訊號設計需遵守以下幾項原則：

1. 差分對走線：保持緊密平行、阻抗 100 Ω、長度誤差 ≤ 5 mil。
2. 隔離與屏蔽：通道間距 ≥ 3×線寬，並以接地帶隔離。
3. 連續參考層：避免分割或缺口。
4. 轉角與線寬過渡：採 45° 或弧形轉角，線寬變化要漸進。
5. 寄生電容控制：特別在雷射驅動與 PD 路徑上需最小化。
   這些原則能顯著降低串音、反射與損耗。

Q5：在光通訊模組的焊墊 (Pad) 設計上有哪些特別要求？

A：
高速差分訊號焊墊需 對稱且尺寸精準，以維持阻抗匹配。
接地焊墊則建議使用多個小導通孔分散配置，降低電感效應。
對於高功率或高電流元件（如雷射驅動），可採「水滴狀焊墊」以強化機械與熱穩定性。
這些細節能有效提升焊接可靠度與訊號完整性。