一、        前言

电脑资讯所用之多层板类中，其跑线(Line Run，系讯号线Signal Line的俗称)中所跑的是方波数位讯号(Digital Signal)；但通讯工业尤其是无线通讯(Wireless即RF)业，其多层板类中所跑的讯号却是弦波(正弦或余弦)式的类比讯号(Analog Signal)。而常见的手机板上既有数位讯号的基频区（Base Band Area），又有类比讯号的高频区(High Frequency Area),于是乃形成了所谓混合讯号(Mixed-Signal)的多层板。

此为HDI六层板（2+2+2）之第一层(Component)左为基频区右为高频区，注意基频区各BGA之困难焊垫已改为OSP处理层，而右侧高频区简单元件者，其焊垫表面仍为ENIG镀层。

此为六层板之第二层(Gnd)显示左侧基频区之布线情形与右侧高频区之接地大铜面

   一般文献资料中多半以40MGz或25MHz以上之讯号(数位或类比)称之为高频讯号，而此泛称之高频讯号若特指数位方波者，亦专门称之为高速(High Speed)讯号；至于类比者则另称之为高频(High Frequency)或射频(Radio Frequency),两者之性能与行为差异极大，所使用电路板之布局与板材亦截然不同。

   涉及数位方波讯号之多层板类，凡当其讯号线之长度，到达或超过所传播(Propagating)方波波长之1/7者，则其行为将由半传输效应式的“集总系统”(Lumped System),而进入传输效应完全展现的“离散系统”(Distributed System)。至于弦波式射频(RF)讯号的板类则更为严格，凡跑线长度到达或超过其讯号波长的1/15者，则亦将进入传输效应明显的“离散系统”。且在数位领域中，凡当其方波之升起时间(Rise Time; Tr)对讯号在跑线中的飞行时间(Times of Flight，Tof又称为传播延误时间Tpd  )之比值，小于2或2.5时(即 tr/tof<2或2.5)则该数位系统亦已完全进入动辄得咎的离散系统矣。

此处所谓的传输效应，是指负面的不良效应而言，如讯号能量在讯号线中的不良反射(Reflection),串讯(Crosstalk),衰减(Attenuation)与延误(Delay)等劣化现象，将导致杂讯(Noise)的出现，甚至无法判读或延误动作的发生。而且设计者为了省电减少发热，以及加快讯号的速度起见，其工作电压(即讯号之振幅)也不断降低(已从多年前的12V逐渐降到了目前的1.5V)，使得许多无法避免的杂讯也必须尽量抑低或减少，以免超出了杂讯限额(Noise Margin)而造成错讯或误动作(即俗称之Down机)。是故现行多层板的设计与生产现状，乃至于下游封装组装等，其所面临的各种困难，也都远超过往昔的经验。讯号速度太快(MHz， GHZ)与传输量剧增(Mbits/Sec)才正是发生种种不良传输效应所无可推诿的根本原因。

二、        手机板上的两种讯号

手机板上基频区内的数位逻辑讯号，其于参考层扫途中的常规回归电流，会不会与低阶射频讯号(Low Level Analog)的布线产生干扰？为了回答此一简单问题，还必须先要作一些基础性的认知如下：

1.       为了做好“电磁共容”(Electromagnetic Compatibility;EMC),传输线当其讯号线由发送端(Driver)所送出讯号到达接受端(Receiver or Loader)后，其能量(电流)还必须经由后者接地脚，从另一层参考铜面回归到源头(Source)去，以完成应有的回路(Loop)。而且还要尽可能遵守最紧缩的回归路径(系指明大铜面中回路截面积最小，亦即特性阻抗最低的轨迹)。否则一旦回路截面积(Loop Area)太大时.将会产生回路天线之效应,(Loop Antenna),种种杂讯就难以避免了！

2．手机板上各种讯号线层，最好只有一个完整的大铜面做为接地之回归，一旦出现了两个分裂的参考层时，将会产生“偶极天线”(Dipole Antenna)的不良效应。

3．为了避免上述两种不良效应，于是就做成了“混合讯号”的多层板，但却须在回归层之铜面上加以区隔(Partition)，或不得已的割裂(Split).如此将可使得板中数位讯号与类比讯号，各自拥有专属的参考层，以减少彼此干扰的杂讯发生。

4．不过上述分裂式参考层(Split Reference Planes)虽然仍可用以完成任务，但亦存在着一些潜在的问题。例如当某讯号线从上一层跨越分裂的大铜面参考层时，则其辐射(Radiation)杂讯与串讯(Crosstalk)都将会大幅恶化。而一般之布线又很难避免此种误闯现象，如下图3之所示者，其回归电流即将无路可走。假设两个分裂铜面之间，仍有狭窄通道相连时，则数位讯号之归路势只要通过连桥而不得不绕行很大的回路面积，如此难免会产生辐射及归途中多量的电感，二者都会造成不少的杂讯。至于低阶类比讯号者，一旦回路积太大时也会发生干扰与杂讯。

5．倘若两个分裂参考层之间完全没有互连点时，则只剩下远处的电源供应器尚能连通，如此一来其回路面积当然就不免太大，其不良效应所酿成的杂讯，想要避免也就不容易了！

通常不得已分裂的参考层，其最佳之补救办法是在两个分裂接地铜面之间，找出一个适合地点，预留出一小段相连的铜面或接桥(Bridge)做为通道，使许多重要的讯号线尚有机会回归，并尽量采取最小的回路面积而驰返。

   当然若版面够大，布件布线又得以不惜成本时，则常见的单一讯号线，也可以布局成为双股近距平行式的“差动式讯号线”(Differential Signal Line),让其中之一的讯号线传送所需的讯号，但却从另一条副线的终端直接回归，如此一来将不再需要接地层作为回路了。换句话说，数字讯号的电流回归将不再冒险通过类比讯号的参考层区，也不再会有发生杂讯的机会了。

三、        高速数位讯号的特性

高速数位讯号(亦即高频之AC方波讯号)，通常是指40MHz以上者。一般习惯称高频之数位者为“高速”，称高频之类比者为“射频”或“高频”。

高速讯号于参考层中的回归电流路径，是遵循着讯号线正下方的铜面逆向驰返，堪称如影随形难舍难分(故称为Ground Plane Image).换句话说，高速方波讯号的回归路径，是选择特性阻抗值(Zo)最小的轨迹返回，但由于Zo=√■故知大铜面上Zo最小的归路(Returned Path),也就是电容值(C)最大或电感值(L)最小的路径，当然也正是讯号线正下方大铜面上的轨迹了。

不过此种接地铜面上的轨迹，并非只限于讯号线宽度的投影而已。其回归电流的强弱配置，是以宽度的中点为基准，而自此基准点往两侧逐渐减弱并呈钟型曲线的标准分配，下图及附表即为其示意说明：

混合讯号的手机板中，其数位讯号的回归电流，只能在数位领域的参考铜面上驰返，不可进入类比讯号区的参考层，以避免造成彼此因相互干扰而产生杂讯，反之亦然。

下二图为手机板其两种参考层所呈现割裂(Split)与区隔(partition-ing)彼此不同的实情。前者是指两种不同接地回归之铜面已被蚀刻切断；后者则是指两种讯号的回归接地层仍为一整片完好的铜面，而只是居间加装“类比/数位转换器”(A/D Converter)功能的IC，以提供彼此讯号线的通路。

是故在手机板设计之初，其类比与数位两者之布局布线，即应彻底分治严格遵守互不侵犯的游戏规则。也唯有在完全不违反大原则之下,才不致造成后续的困扰。否则即使元件已加以区隔，但却偶有数位讯号线进入类比布线区时，其回归电流也必定会闯进类比区的接地铜面，杂讯当然就难以避免了。

上述A/D Converter功用的IC中，分别设有类比区的接地脚(Agnd)与数位区的接地脚(DGnd)。一旦不得已必须使用割裂地层时，此两种引脚必须一并连接到类比区的接地铜面上去，且引脚的长度还要愈短愈好，以减少电感所带来的杂讯。下二图即为两块已分裂铜面之间，采用A/Dconverter进行跨接互连的示意图。某些医疗仪器或工业控制仪器等，当其特别重视EMC者，即使少许杂讯也会造成很大的负面影响。此时上述割裂式的接地层也就不得不勉强派上用场了。因为此种少见的双接地做法，其对EMC的免疫力比起单接地来还要更好。

更注意的是A/D Converter最好只能安装一个，装的太多了仍然会发生问题。其他一般电子产品最好仍然是采用不要割裂的接地层，此单一接地层中两种讯号的回归，也必须河水不犯井水，互不越界以杜绝杂讯的发生。

复杂的布局布线工作，一旦其数位布线不得不闯入类比区域时，为了阻止数位回归电流混进类比接地区，而带来更多的烦恼起见，权衡利害不得已之下，也只好采用割裂的接地铜面。此时将迫使数位区回归的电流只能紧贴着分裂的边缘，却仍然紧沿着自己的领域中驰返，下图为其动态之示意图。

兼具两种讯号的手机板，除了接地层不可彼此混淆外连电源(Vcc)也要各自分道扬镳，两者布线对彼此的电源层也要紧守份际不可逾越。某些困难情况下，尚可改采为面积较小而功能又相近的电源线或电源网，以取代大铜面的制式电源层，而减少彼此讯号线越界擅入对方电源层的机率。

四、混合讯号设计之覆查清单

由上述经验可知，手机板上混合讯号之布局原则，仍以不分裂的单一接地铜层较占优势，但其数位与类比两种讯号层，却必须清楚加以分界。各自专属的回归地盘也不可彼此侵犯，如此方可减少杂讯的发生。现将一般必须遵守的游戏规则整理如下以供参考：

●   手机板上的类比区与数位区，其等布线必须严格遵守区隔(Partition)的原则。

●   将两类元件彼此分开两地布局。

●   在两种割裂之间采用类比/数位转换器(A/D Converters)予以跨接。

●   减少使用割裂式的接地铜面，在两种区隔的布线领域下，仍以使用单一完整的大铜面为宜。

●   类比区内只能做类比元件与类比讯号的布局布线，而且MLB各层中均应完全遵守此种原则。

●   数位区内只能布局布线数位元件与数位讯号，其它各层次中均不可例外。

●   数位区与类比区两者不得已割裂的各自电源层(Power或Vcc),其割裂区附近不可做任何布线。

●   一旦布线无法避开电源层的分裂地带时，则其整体层次中最靠近的接地层，必须保持完整的铜面才行。

●   须经常思考接地层铜面中，各种讯号回归电流的路径到底何在。

图1.此为实际尺寸的典型6层式混合讯号的手机板，上图为第一层(L-1)零件布局的板面全貌，中隔及外围之EN/IG镀层宽路，即为数位与类比的分隔带，并做为不锈钢外加护罩的焊接基地。该宽带中并有盲孔通孔可连接到内埋的接地层上去。第二图即为第二层(L-2)之布线接地之实际情形。

图2.为避免射频干扰(RFI) 起见，类比区须另外焊装金属罩予以遮蔽。

图2.左为高频数位讯号之讯号线(红色者)，其回归路径是沿著正下方在大铜面上的轨迹驰返(蓝色带)；也就是选择特性阻抗值ZO最小的铜面奔回。由于ZO■，故亦即选择电感L最小(往返电流相反，故所感应的磁场大部分已Flux Cancellation彼此抵消了)的路途，如此将可使杂讯减到最低(因杂讯电压V=L.di/dt)。中图与右图说明归路轨迹中出现了钻孔的破洞与连续孔破形成的割裂，如此将发生Ground Loop式增加路途(即增大了L)的杂讯，是RF杂讯的主要来源。

图3.混合讯号的手机板上，一旦某些板面讯号线(以数位者存多)凌空跨越已分裂之接地层时，则其内在接地层上讯号能量(电流)的回归将无路可走。

图4.一旦讯号线凌空跨越已分裂的参考接地层时，其两地之间唯一上能连通者，则只剩电源供应器中的共同接地脚了。

图5.分裂的两个接地层之间，若仍保留一小段相连之铜层，则当讯号线凌空跨越时，则仍可保有接地归路的通畅，此种上下两层立体接桥将可完成电流回路的任务。

图6-1此图即为参考回归大铜面中，其回归电流之强度分布轨迹。

图6.此图为微带线之结构，其参考铜面(如同海面)中回归电流的轨迹，与x/h的比值形成常态分配式的钟型曲线。

图7.接地层已分裂者，正确的布线方式是数位讯号线与其回归电流轨迹(Ground current,指虚线带)皆不可越界，而只能在自己的地盘中活动。

图8.接地层尚未分裂但已加区隔者，则其数位讯号与其电流归路(虚线带)，也只能在自己的领域中活动。

图9.类比与数位两者之接地已加区隔者，一旦发生数位讯号之不当跨区布线时，其电流之归路(虚线带)也必定如影随形而闯入类比区，如此势必会带来杂讯。

图10.混合讯号的手机板，一旦其回归接地层已遭割裂者，则仍可在分界处跨接一个A/D转换用的IC，使讯号线之回归电流仍有可通之路。

图11.混合讯号的手机板，在已加区隔但并未割裂的接地铜层上，彼此之间仍可加装多枚A/D Converters,以保持两区隔间的畅通。

图12.混合讯号的板类凡当其接地层已遭割裂者，一旦仍有数位讯号线不当凌空闯入类比讯号地盘时，其接地层上的回归电流，则只能沿著割裂边缘奔回，如此在其讯号完整性上当然就不免有瑕疵了。