01

什么是核心板？

SUNSHINE GLOBAL CIRCUITS

嵌入式核心板又叫SOM（Systems-on-Module）板，核心板集成了CPU和各種外設(shè)，如內(nèi)存（DDR）、存儲（eMMC或FLASH）、電源管理（PMIC）、晶振等。同時引出如USB、GPIO、SPI、I2C、UART、以太網(wǎng)、PCIe等各種接口，以滿足各種應(yīng)用的需求。 核心板一般采用板對板連接器、郵票孔焊接、金手指、COM Express等形式與底板連接，并且通常將CPU的所有功能引腳或大部分功能引腳引出，用戶在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時只需根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行功能接口的電路設(shè)計(jì)，從而降低了硬件開發(fā)難度，節(jié)省了開發(fā)時間。

Intel Atom x6000E COM Express核心板 來自：Congatec

SOM適用于包括工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、通信系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在內(nèi)的多種行業(yè)。使用SOM，可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低綜合成本，提高產(chǎn)品的可靠性。

02

核心板的分類

為了確保嵌入式核心板硬件和軟件的兼容性、模塊化和可擴(kuò)展性。不同組織或公司定義了多個標(biāo)準(zhǔn)，常見的嵌入式核心板標(biāo)準(zhǔn)如下：

OSM核心板是一個可焊接的LGA封裝模塊，尺寸緊湊，最大的尺寸為45mm x 45mm，模塊功率通常在15W以下。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用十分友好，可以滿足低成本和日益增長的性能需求。

OSM標(biāo)準(zhǔn)的IMX8MP 核心板

由NXP Semiconductors（原Freescale Semiconductor）推出的一種基于ARM架構(gòu)的嵌入式處理器模塊標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)采用230-pin MXM金手指設(shè)計(jì)，便于手持設(shè)備、HMI和標(biāo)牌應(yīng)用中的高速I/O連接。

SMARC

SMARC （Standard Module Advanced RISC Computer），是一種用于定義ARM架構(gòu)的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊的開放標(biāo)準(zhǔn)。采用314針的MXM金手指連接器，適用于高性能和低功耗要求的產(chǎn)品。

COM Express

由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）定義的一種模塊化計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，支持多種處理器架構(gòu)，如x86、ARM和PowerPC。COM Express模塊包括Mini、Basic和Compact三種尺寸，可以針對特定的應(yīng)用和功率來選擇適合的尺寸。

為了適應(yīng)下一代AIoT應(yīng)用，COM Express R3.1新增了多個高級接口支持包括Type 6/7/10新增PCIe Gen 4接口，Type 6模塊增加USB 4.0接口，Type 7模塊新增第二個PCIe Clock，并將10G以太網(wǎng)升級至支持CEI邊帶信號。

03

嵌入式核心板的PCB設(shè)計(jì)

SUNSHINE GLOBAL CIRCUITS

隨著嵌入式處理器的性能越來越高，內(nèi)存速率越來越快，嵌入式核心板的PCB層數(shù)也從早期的4層發(fā)展到了8-12層，由于支持越來越多的高速接口，對板材損耗的要求也越來越高。

一般遵循以下步驟進(jìn)行嵌入式核心板PCB的設(shè)計(jì)：

確定元器件布局

一般來講，核心板標(biāo)準(zhǔn)要求里已經(jīng)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的外型和接口，元器件的布局變化不會很大。一般思路是按照CPU的參考手冊要求，遵循最優(yōu)的fanout布局設(shè)計(jì)，確定CPU、DDR和Flash的布局，再優(yōu)化電源和周圍器件的布局。

確定板厚

常規(guī)的PCB成品厚度為0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般在核心板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)里會規(guī)定板厚，設(shè)計(jì)時需遵循相應(yīng)的要求，對于沒有規(guī)定要求的，從結(jié)構(gòu)可靠性角度可以做厚一些。

確定PCB層數(shù)和劃分功能層

確定總層數(shù)和劃分信號層、電源層和地層，需要從系統(tǒng)性的角度綜合考慮，是一個相互妥協(xié)的結(jié)果。首先需要確定層數(shù)能夠滿足布線的需求，其次需要滿足高速信號線的布線要求，最后考慮電源完整性、EMC和熱設(shè)計(jì)的要求。在滿足功能的前提下，盡量壓縮PCB的層數(shù)。

確定內(nèi)外層銅厚

疊層設(shè)計(jì)時必須平衡銅箔的厚度，使電源/地平面層銅的厚度滿足載流要求。3oz以上屬于厚銅，常用于高壓、大電流的電力電子產(chǎn)品。

對于信號層銅的厚度來講，線寬/線距較小，需要銅盡可能薄才能滿足精確的蝕刻的要求。高速信號線由于趨膚效應(yīng)的影響，電流只在銅箔表面附近流動，更厚的銅箔并不會帶來更好的性能。所以內(nèi)層信號層的銅厚通常為Hoz，即0.5盎司。

確定阻抗線的分布

核心板上的高速接口信號線都有阻抗要求，常見的單端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有參考平面，走線的銅厚、介電常數(shù)、線寬、線距都會影響阻抗。在設(shè)計(jì)阻抗線時，在滿足阻抗要求的前提下，盡量壓縮阻抗線出現(xiàn)的層數(shù)。

EDA工具都支持阻抗計(jì)算，可以按照設(shè)計(jì)的疊層結(jié)構(gòu)，去調(diào)整走線的參數(shù)。

確定過孔結(jié)構(gòu)

大多數(shù)核心板由于高密度的屬性，都會使用盲孔和埋孔來優(yōu)化布線空間，盲孔和埋孔也同時造成了PCB需要多次壓合增加了工序，PCB的制造難度上升，因此也更加昂貴。

在疊層設(shè)計(jì)時，需要在滿足設(shè)計(jì)的前提下，盡量簡化孔的結(jié)構(gòu)。

選擇滿足設(shè)計(jì)要求的板材、PP和銅箔

FR-4能夠滿足大多數(shù)PCB的需求，價格便宜而且電氣性能良好，高速PCB會選用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，高速PCB需要選擇具有最低損耗角正切和較小介電常數(shù)的介電材料，來滿足高速信號對于損耗的要求。

銅箔粗糙度（銅牙）使線路的寬度、線間距不均勻，從而導(dǎo)致阻抗不可控，同時由于趨膚效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)體的表層，銅箔的表面粗糙度影響信號傳輸?shù)拈L度。信號的頻率在5GHz以下時銅箔粗糙度的影響不是太明顯，大于5GHz時銅箔粗糙度的影響開始越來越大，在大于10Ghz的高速信號的設(shè)計(jì)時尤其需要重視。