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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，如內存（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、PCIe等各種接口，以滿足各種應用的需求。 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，用戶在設計產品時只需根據應用場景進行功能接口的電路設計，從而降低了硬件開發難度，節省了開發時間。

Intel Atom x6000E COM Express核心板 來自：Congatec

SOM適用于包括工業自動化、醫療設備、汽車電子、通信系統和物聯網（IoT）在內的多種行業。使用SOM，可以大大縮短產品開發周期，降低綜合成本，提高產品的可靠性。

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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、模塊化和可擴展性。不同組織或公司定義了多個標準，常見的嵌入式核心板標準如下：

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。對于物聯網應用十分友好，可以滿足低成本和日益增長的性能需求。

OSM標準的IMX8MP 核心板

由NXP Semiconductors（原Freescale Semiconductor）推出的一種基于ARM架構的嵌入式處理器模塊標準。標準采用230-pin MXM金手指設計，便于手持設備、HMI和標牌應用中的高速I/O連接。

SMARC

SMARC （Standard Module Advanced RISC Computer），是一種用于定義ARM架構的嵌入式計算機模塊的開放標準。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品。

COM Express

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

為了適應下一代AIoT應用，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以太網升級至支持CEI邊帶信號。

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嵌入式核心板的PCB設計

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隨著嵌入式處理器的性能越來越高，內存速率越來越快，嵌入式核心板的PCB層數也從早期的4層發展到了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行嵌入式核心板PCB的設計：

確定元器件布局

一般來講，核心板標準要求里已經規定了標準的外型和接口，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，遵循最優的fanout布局設計，確定CPU、DDR和Flash的布局，再優化電源和周圍器件的布局。

確定板厚

常規的PCB成品厚度為0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般在核心板的設計標準里會規定板厚，設計時需遵循相應的要求，對于沒有規定要求的，從結構可靠性角度可以做厚一些。

確定PCB層數和劃分功能層

確定總層數和劃分信號層、電源層和地層，需要從系統性的角度綜合考慮，是一個相互妥協的結果。首先需要確定層數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和熱設計的要求。在滿足功能的前提下，盡量壓縮PCB的層數。

確定內外層銅厚

疊層設計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、線寬、線距都會影響阻抗。在設計阻抗線時，在滿足阻抗要求的前提下，盡量壓縮阻抗線出現的層數。

EDA工具都支持阻抗計算，可以按照設計的疊層結構，去調整走線的參數。

確定過孔結構

大多數核心板由于高密度的屬性，都會使用盲孔和埋孔來優化布線空間，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。

在疊層設計時，需要在滿足設計的前提下，盡量簡化孔的結構。

選擇滿足設計要求的板材、PP和銅箔

FR-4能夠滿足大多數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，從而導致阻抗不可控，同時由于趨膚效應，電流集中在導體的表層，銅箔的表面粗糙度影響信號傳輸的長度。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的高速信號的設計時尤其需要重視。