PCB疊層設(shè)計(jì)_－PCB新聞|線路板|印刷電路板|PCB信息網(wǎng)|pcb

PCB的疊層設(shè)計(jì)不是層的簡(jiǎn)單堆疊，其中地層的安排是關(guān)鍵，它與信號(hào)的安排和走向有密切的關(guān)系。多層板的設(shè)計(jì)和普通的PCB相比，除了添加了必要的信號(hào)走線層之外，最重要的就是安排了獨(dú)立的電源和地層（鋪銅層）。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，使用電源和地層來(lái)代替以前的電源和地總線的優(yōu)點(diǎn)主要在于： 

    1）為數(shù)字信號(hào)的變換提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓。 

    2）均勻地將電源同時(shí)加在每個(gè)邏輯器件上。 

    3）有效地抑制信號(hào)之間的串?dāng)_。 

    其原因在于，使用大面積鋪銅作為電源和地層大大減小了電源和地的電阻，使得電源層上的電壓均勻平穩(wěn)，而且可以保證每根信號(hào)線都有很近的地平面相對(duì)應(yīng)，這同時(shí)也減小了信號(hào)線的特征阻抗，也可有效地減少串?dāng)_。所以，對(duì)于某些高端的高速電路設(shè)計(jì)，已經(jīng)明確規(guī)定一定要使用6層（或以上的）的疊層方案，如Intel對(duì)PC133內(nèi)存模塊PCB的要求。這主要就是考慮到多層板在電氣特性，以及對(duì)電磁輻射的抑制，甚至在抵抗物理機(jī)械損傷的能力上都明顯優(yōu)于低層數(shù)的PCB。 

    一般情況下均按以下原則進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)：滿足信號(hào)的特征阻抗要求;滿足信號(hào)回路最小化原則；滿足最小化PCB內(nèi)的信號(hào)干擾要求;滿足對(duì)稱(chēng)原則。具體而言在設(shè)計(jì)多層板時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面： 

    1）一個(gè)信號(hào)層應(yīng)該和一個(gè)敷銅層相鄰，信號(hào)層和敷銅層要間隔放置，最好每個(gè)信號(hào)層都能和至少一個(gè)敷銅層緊鄰。信號(hào)層應(yīng)該和臨近的敷銅層緊密耦合（即信號(hào)層和臨近敷銅層之間的介質(zhì)厚度很小）。 

    2）電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合并處于疊層中部。縮短電源和地層的距離，有利于電源的穩(wěn)定和減少EMI。盡量避免將信號(hào)層夾在電源層與地層之間。電源平面與地平面的緊密相鄰好比形成一個(gè)平板電容，當(dāng)兩平面靠的越近，則該電容值就越大。該電容的主要作用是為高頻噪聲（諸如開(kāi)關(guān)噪聲等）提供一個(gè)低阻抗回流路徑，從而使接收器件的電源輸入擁有更小的紋波，增強(qiáng)接收器件本身的性能。 

    3）在高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號(hào)層，多個(gè)地敷銅層可以有效地減小PCB的阻抗，減小共模EMI。但建議盡量不要多加電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。 

    4）系統(tǒng)中的高速信號(hào)應(yīng)該在內(nèi)層且在兩個(gè)敷銅之間，這樣兩個(gè)敷銅可以為這些高速信號(hào)提供屏蔽作用，并將這些信號(hào)的輻射限制在兩個(gè)敷銅區(qū)域。 

    5）優(yōu)先考慮高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)的傳輸線模型，為這些信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的參考平面，盡量避免跨平面分割區(qū)，以控制特性阻抗和保證信號(hào)回流路徑的完整。 

    6）兩信號(hào)層相鄰的情況。對(duì)于具有高速信號(hào)的板卡，理想的疊層是為每一個(gè)高速信號(hào)層都設(shè)計(jì)一個(gè)完整的參考平面，但在實(shí)際中我們總是需要在PCB層數(shù)和PCB成本上做一個(gè)權(quán)衡。在這種情況下不能避免有兩個(gè)信號(hào)層相鄰的現(xiàn)象。目前的做法是讓兩信號(hào)層間距加大和使兩層的走線盡量垂直，以避免層與層之間的信號(hào)串?dāng)_。 

    7）鋪銅層最好要成對(duì)設(shè)置，比如六層板的2、5層或者3、4層要一起鋪銅，這是考慮到工藝上平衡結(jié)構(gòu)的要求，因?yàn)椴黄胶獾匿併~層可能會(huì)導(dǎo)致PCB的翹曲變形。 

    8）次表面（即緊靠表層的層）設(shè)計(jì)成地層，有利于減小EMI。 

    9）根據(jù)PCB器件密度和引腳密度估算出所需信號(hào)層數(shù)，確定總層數(shù)。 

    板層的結(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)的EMC性能一個(gè)很重要的因素。一個(gè)好的板層結(jié)構(gòu)對(duì)抑制PCB中輻射起到良好的效果。在現(xiàn)在常見(jiàn)的高速電路系統(tǒng)中大多采用多層板而不是單面板和雙面板。下面分別就四層板、六層板、八層板、十層板的板層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做一簡(jiǎn)單的說(shuō)明。 

    四層板設(shè)計(jì) 

    表1 四層板疊層設(shè)計(jì)示例 

    一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于較復(fù)雜的高速電路，最好不采用四層板，因?yàn)樗嬖谌舾刹环€(wěn)定因素，無(wú)論從物理上還是電氣特性上。如果一定要進(jìn)行四層板設(shè)計(jì)，則可以考慮設(shè)置為：電源-信號(hào)-信號(hào)-地。還有一種更好的方案是：外面兩層均走地層，內(nèi)部?jī)蓪幼唠娫春托盘?hào)線。這種方案是四層板設(shè)計(jì)的最佳疊層方案，對(duì)EMI有極好的抑制作用，同時(shí)對(duì)降低信號(hào)線阻抗也非常有利，但這樣布線空間較小，對(duì)于布線密度較大的板子顯得比較困難。 

    六層板設(shè)計(jì) 

    現(xiàn)在很多電路板都采用六層板技術(shù)，比如內(nèi)存模塊PCB的設(shè)計(jì)，大部分都采用六層板（高容量的內(nèi)存模塊可能采用10層板）。最常規(guī)的六層板疊層是這樣安排的：信號(hào)-地-信號(hào)-信號(hào)-電源-信號(hào)。從阻抗控制的觀點(diǎn)來(lái)講，這樣安排是合理的，但由于電源離地平面較遠(yuǎn)，對(duì)較小共模EMI的輻射效果不是很好。如果改將敷銅區(qū)放在3和4層，則又會(huì)造成較差的信號(hào)阻抗控制及較強(qiáng)的差模EMI等問(wèn)題。還有一種添加地平面層的方案，布局為：信號(hào)-地-信號(hào)-電源-地-信號(hào)，這樣無(wú)論從阻抗控制還是從降低EMI的角度來(lái)說(shuō)，都能實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所需要的環(huán)境。但不足之處是層的堆疊不平衡，第3層是信號(hào)走線層，但對(duì)應(yīng)的第4層卻是大面積敷銅的電源層，這在PCB工藝制造上可能會(huì)遇到一點(diǎn)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)可以將第3層所有空白區(qū)域敷銅來(lái)達(dá)到近似平衡結(jié)構(gòu)的效果。 

    表2 六層板疊層設(shè)計(jì)示例 

    下面就表2中所列四種6層板結(jié)構(gòu)做一說(shuō)明。 

    A：第2和第5層為電源和地敷銅，由于電源敷銅阻抗高，對(duì)控制共模EMI輻射非常不利。不過(guò)，從信號(hào)的阻抗控制觀點(diǎn)來(lái)看，這一方法卻是非常正確的。因?yàn)檫@種板層設(shè)計(jì)中，信號(hào)走線層的Layer1和Layer3，Layer4和Layer6構(gòu)成了兩對(duì)較為合理的走線組合。 

    B：將電源和地分別放在第3和第4層，這一設(shè)計(jì)解決了電源敷銅阻抗問(wèn)題，由于第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，增加了差模EMI。如果兩個(gè)外層上的信號(hào)線數(shù)量最少，走線長(zhǎng)度很短（短于信號(hào)最高諧波波長(zhǎng)的1/20），則這種設(shè)計(jì)可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線區(qū)域敷銅填充并將敷銅區(qū)接地（每1/20波長(zhǎng)為間隔），則對(duì)差模EMI的抑制特別好。 

    C：從信號(hào)的質(zhì)量角度考慮，很顯然這種板層安排最為合理的。因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)高頻回流的路徑是比較理想的。但是這樣安排有個(gè)比較突出的缺點(diǎn)，即信號(hào)的走線層少。所以這樣的系統(tǒng)適用于高性能的要求。 

    D：這可實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所需要的環(huán)境。信號(hào)層與接地層相鄰，電源層和接地層配對(duì)。顯然，不足之處是層的結(jié)構(gòu)不平衡（不平衡的敷銅可能會(huì)導(dǎo)致PCB的翹曲變形）。解決問(wèn)題的辦法是將第3層所有的空白區(qū)域敷銅，敷銅后如果第3層的敷銅密度接近于電源層或接地層，這塊板可以不嚴(yán)格地算作是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。敷銅區(qū)必須接電源或接地。 

    八層板設(shè)計(jì) 

    表3 八層板疊層示例 

    現(xiàn)在使用的八層板多數(shù)是為了提高六層板的信號(hào)質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。由表3中可以知道，八層板相比六層板并沒(méi)有增加信號(hào)的走線層，而是多了兩個(gè)敷銅層，所以可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的EMC性能。 

    十層板設(shè)計(jì) 

    表4 十層板疊層示例 

    十層的PCB絕緣介質(zhì)層很薄，信號(hào)層可以離地平面很近，這樣就非常好地控制了層間的阻抗變化，一般只要不出現(xiàn)嚴(yán)重的疊層設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)者都能較容易地完成高質(zhì)量的高速電路板設(shè)計(jì)。如果走線非常復(fù)雜，需要更多的走線層，我們可以將疊層設(shè)置為：信號(hào)-信號(hào)-地-信號(hào)-信號(hào)-信號(hào)-信號(hào)-電源-信號(hào)-信號(hào)。當(dāng)然這種情況不是最理想的，我們要求信號(hào)走線能在少量的層中布完，而是用多余的地層來(lái)隔離其他信號(hào)層，所以更通常的疊層方案是：信號(hào)-地-信號(hào)-信號(hào)-電源-地-信號(hào)-信號(hào)-地-信號(hào)?？梢钥吹?，這里使用了三層地平面層，而只用了一層電源（我們只考慮單電源的情況）。這是因?yàn)?，雖然電源層在阻抗控制上的效果和地平面層一樣，但電源層上的電壓受干擾較大，存在較多的高階諧波，對(duì)外界的EMI也強(qiáng)，所以和信號(hào)走線層一樣，是最好被地平面屏蔽起來(lái)的。同時(shí)，如果使用多余的電源層來(lái)隔離，回路電流將不得不通過(guò)去耦電容來(lái)實(shí)現(xiàn)從地平面到電源平面的轉(zhuǎn)換。這樣，在去耦電容上過(guò)多的電壓降會(huì)產(chǎn)生不必要的噪聲。 

    其實(shí)在疊層設(shè)計(jì)時(shí)還是需要靈活運(yùn)用上述原則的。有時(shí)并不能同時(shí)滿足所有原則或者將所有原則應(yīng)用到最佳，這就需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)要求選擇確定適當(dāng)?shù)陌鍖咏Y(jié)構(gòu)。