嵌入式核心板的分类及PCB设计

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什么是核心板？

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嵌入式核心板又叫SOM（Systems-on-Module）板，核心板集成了CPU和各种外设，如内存（DDR）、存储（eMMC或FLASH）、电源管理（PMIC）、晶振等。同时引出如USB、GPIO、SPI、I2C、UART、以太网、PCIe等各种接口，以满足各种应用的需求。   核心板一般采用板对板连接器、邮票孔焊接、金手指、COM Express等形式与底板连接，并且通常将CPU的所有功能引脚或大部分功能引脚引出，用户在设计产品时只需根据应用场景进行功能接口的威廉希尔官方网站 设计，从而降低了硬件开发难度，节省了开发时间。

Intel Atom x6000E COM Express核心板 来自：Congatec

SOM适用于包括工业自动化、医疗设备、汽车电子、通信系统和物联网（IoT）在内的多种行业。使用SOM，可以大大缩短产品开发周期，降低综合成本，提高产品的可靠性。

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核心板的分类

为了确保嵌入式核心板硬件和软件的兼容性、模块化和可扩展性。不同组织或公司定义了多个标准，常见的嵌入式核心板标准如下：

OSM核心板是一个可焊接的LGA封装模块，尺寸紧凑，最大的尺寸为45mm x 45mm，模块功率通常在15W以下。对于物联网应用十分友好，可以满足低成本和日益增长的性能需求。

OSM标准的IMX8MP 核心板

由NXP Semiconductors（原Freescale Semiconductor）推出的一种基于ARM架构的嵌入式处理器模块标准。标准采用230-pin MXM金手指设计，便于手持设备、HMI和标牌应用中的高速I/O连接。

SMARC

SMARC （Standard Module Advanced RISC Computer），是一种用于定义ARM架构的嵌入式计算机模块的开放标准。采用314针的MXM金手指连接器，适用于高性能和低功耗要求的产品。

COM Express

由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）定义的一种模块化计算机标准，支持多种处理器架构，如x86、ARM和PowerPC。COM Express模块包括Mini、Basic和Compact三种尺寸，可以针对特定的应用和功率来选择适合的尺寸。

为了适应下一代AIoT应用，COM Express R3.1新增了多个高级接口支持包括Type 6/7/10新增PCIe Gen 4接口，Type 6模块增加USB 4.0接口，Type 7模块新增第二个PCIe Clock，并将10G以太网升级至支持CEI边带信号。

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嵌入式核心板的PCB设计

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随着嵌入式处理器的性能越来越高，内存速率越来越快，嵌入式核心板的PCB层数也从早期的4层发展到了8-12层，由于支持越来越多的高速接口，对板材损耗的要求也越来越高。

一般遵循以下步骤进行嵌入式核心板PCB的设计：

确定元器件布局

一般来讲，核心板标准要求里已经规定了标准的外型和接口，元器件的布局变化不会很大。一般思路是按照CPU的参考手册要求，遵循最优的fanout布局设计，确定CPU、DDR和Flash的布局，再优化电源和周围器件的布局。

确定板厚

常规的PCB成品厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般在核心板的设计标准里会规定板厚，设计时需遵循相应的要求，对于没有规定要求的，从结构可靠性角度可以做厚一些。

确定PCB层数和划分功能层

确定总层数和划分信号层、电源层和地层，需要从系统性的角度综合考虑，是一个相互妥协的结果。首先需要确定层数能够满足布线的需求，其次需要满足高速信号线的布线要求，最后考虑电源完整性、EMC和热设计的要求。在满足功能的前提下，尽量压缩PCB的层数。

确定内外层铜厚

叠层设计时必须平衡铜箔的厚度，使电源/地平面层铜的厚度满足载流要求。3oz以上属于厚铜，常用于高压、大电流的电力电子产品。

对于信号层铜的厚度来讲，线宽/线距较小，需要铜尽可能薄才能满足精确的蚀刻的要求。高速信号线由于趋肤效应的影响，电流只在铜箔表面附近流动，更厚的铜箔并不会带来更好的性能。所以内层信号层的铜厚通常为Hoz，即0.5盎司。

确定阻抗线的分布

核心板上的高速接口信号线都有阻抗要求，常见的单端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有参考平面，走线的铜厚、介电常数、线宽、线距都会影响阻抗。在设计阻抗线时，在满足阻抗要求的前提下，尽量压缩阻抗线出现的层数。

EDA工具都支持阻抗计算，可以按照设计的叠层结构，去调整走线的参数。

确定过孔结构

大多数核心板由于高密度的属性，都会使用盲孔和埋孔来优化布线空间，盲孔和埋孔也同时造成了PCB需要多次压合增加了工序，PCB的制造难度上升，因此也更加昂贵。

在叠层设计时，需要在满足设计的前提下，尽量简化孔的结构。

选择满足设计要求的板材、PP和铜箔

FR-4能够满足大多数PCB的需求，价格便宜而且电气性能良好，高速PCB会选用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，高速PCB需要选择具有最低损耗角正切和较小介电常数的介电材料，来满足高速信号对于损耗的要求。

铜箔粗糙度（铜牙）使线路的宽度、线间距不均匀，从而导致阻抗不可控，同时由于趋肤效应，电流集中在导体的表层，铜箔的表面粗糙度影响信号传输的长度。信号的频率在5GHz以下时铜箔粗糙度的影响不是太明显，大于5GHz时铜箔粗糙度的影响开始越来越大，在大于10Ghz的高速信号的设计时尤其需要重视。