PCB疊層設(shè)計(jì)的8大原則

在設(shè)計(jì) PCB（印制電路板）時(shí)，需要考慮的一個(gè)最基本的問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)電路要求的功能需要多少個(gè)布線層、接地平面和電源平面，而印制電路板的布線層、接地平面和電源平面的層數(shù)的確定與電路功能、信號(hào)完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有關(guān)。對(duì)于大多數(shù)的設(shè)計(jì)，PCB 的性能要求、目標(biāo)成本、制造技術(shù)和系統(tǒng)的復(fù)雜程度等因素存在許多相互沖突的要求，PCB 的疊層設(shè)計(jì)通常是在考慮各方面的因素后折中決定的。高速數(shù)字電路和射須電路通常采用多層板設(shè)計(jì)。

下面列出了層疊設(shè)計(jì)要注意的 8 個(gè)原則：

1. 分層

在多層 PCB 中，通常包含有信號(hào)層（S）、電源（P）平面和接地（GND）平面。電源平面和接地平面通常是沒(méi)有分割的實(shí)體平面，它們將為相鄰信號(hào)走線的電流提供一個(gè)好的低阻抗的電流返回路徑。信號(hào)層大部分位于這些電源或地參考平面層之間，構(gòu)成對(duì)稱帶狀線或非對(duì)稱帶狀線。多層 PCB 的頂層和底層通常用于放置元器件和少量走線，這些信號(hào)走線要求不能太長(zhǎng)，以減少走線產(chǎn)生的直接輻射。

2. 確定單電源參考平面（電源平面）

使用去耦電容是解決電源完整性的一個(gè)重要措施。去耦電容只能放置在 PCB 的頂層和底層。去耦電容的走線、焊盤，以及過(guò)孔將嚴(yán)重影響去耦電容的效果，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮連接去耦電容的走線應(yīng)盡量短而寬，連接到過(guò)孔的導(dǎo)線也應(yīng)盡量短。例如，在一個(gè)高速數(shù)字電路中，可以將去耦電容放置在 PCB 的頂層，將第 2 層分配給高速數(shù)字電路（如處理器）作為電源層，將第 3 層作為信號(hào)層，將第 4 層設(shè)置成高速數(shù)字電路地。

此外，要盡量保證由同一個(gè)高速數(shù)字器件所驅(qū)動(dòng)的信號(hào)走線以同樣的電源層作為參考平面，而且此電源層為高速數(shù)字器件的供電電源層。

3. 確定多電源參考平面

多電源參考平面將被分割成幾個(gè)電壓不同的實(shí)體區(qū)域。如果緊靠多電源層的是信號(hào)層，那么其附近的信號(hào)層上的信號(hào)電流將會(huì)遭遇不理想的返回路徑，使返回路徑上出現(xiàn)縫隙。對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)，這種不合理的返回路徑設(shè)計(jì)可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題，所以要求高速數(shù)字信號(hào)布線應(yīng)該遠(yuǎn)離多電源參考平面。

4. 確定多個(gè)接地參考平面（接地平面）

多個(gè)接地參考平面（接地層）可以提供一個(gè)好的低阻抗的電流返回路徑，可以減小共模 EMl。接地平面和電源平面應(yīng)該緊密耦合，信號(hào)層也應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合。減少層與層之間的介質(zhì)厚度可以達(dá)到這個(gè)目的。

5. 合理設(shè)計(jì)布線組合

一個(gè)信號(hào)路徑所跨越的兩個(gè)層稱為一個(gè)“布線組合”。最好的布線組合設(shè)計(jì)是避免返回電流從一個(gè)參考平面流到另一個(gè)參考平面，而是從一個(gè)參考平面的一個(gè)點(diǎn)（面）流到另一個(gè)點(diǎn)（面）。而為了完成復(fù)雜的布線，走線的層間轉(zhuǎn)換是不可避免的。在信號(hào)層間轉(zhuǎn)換時(shí)，要保證返回電流可以順利地從一個(gè)參考平面流到另一個(gè)參考平面。在一個(gè)設(shè)計(jì)中，把鄰近層作為一個(gè)布線組合是合理的。如果一個(gè)信號(hào)路徑需要跨越多個(gè)層，將其作為一個(gè)布線組合通常不是合理的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐粋€(gè)經(jīng)過(guò)多層的路徑對(duì)于返回電流而言是不通暢的。雖然可以通過(guò)在過(guò)孔附近放置去耦電容或者減小參考平面間的介質(zhì)厚度等來(lái)減小地彈，但也非一個(gè)好的設(shè)計(jì)。

6. 設(shè)定布線方向

在同一信號(hào)層上，應(yīng)保證大多數(shù)布線的方向是一致的，同時(shí)應(yīng)與相鄰信號(hào)層的布線方向正交。例如，可以將一個(gè)信號(hào)層的布線方向設(shè)為“Y 軸”走向，而將另一個(gè)相鄰的信號(hào)層布線方向設(shè)為“X 軸”走向。

7. 采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu)

從所設(shè)計(jì)的 PCB 疊層可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的疊層設(shè)計(jì)幾乎全部是偶數(shù)層的，而不是奇數(shù)層的，這種現(xiàn)急是由多種因素造成的，如下所示。

從印制電路板的制造工藝可以了解到，電路板中的所有導(dǎo)電層救在芯層上，芯層的材料一般是雙面覆板，當(dāng)全面利用芯層時(shí)，印制電路板的導(dǎo)電層數(shù)就為偶數(shù)。

偶數(shù)層印制電路板具有成本優(yōu)勢(shì)。由于少一層介質(zhì)和覆銅，故奇數(shù)層印制電路板原材料的成本略低于偶數(shù)層的印制電路板的成本。但因?yàn)槠鏀?shù)層印制電路板需要在芯層結(jié)構(gòu)工藝的基礎(chǔ)上增加非標(biāo)準(zhǔn)的層疊芯層黏合工藝，故造成奇數(shù)層印制電路板的加工成本明顯高于偶數(shù)層印制電路板。與普通芯層結(jié)構(gòu)相比，在芯層結(jié)構(gòu)外添加覆銅將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。在層壓黏合以前，外面的芯層還需要附加的工藝處理，這增加了外層被劃傷和錯(cuò)誤蝕刻的風(fēng)險(xiǎn)。增加的外層處理將會(huì)大幅度提高制造成本。

當(dāng)印制電路板在多層電路黏合工藝后，其內(nèi)層和外層在冷卻時(shí)，不同的層壓張力會(huì)使印制電路板上產(chǎn)生不同程度上的彎曲。而且隨著電路板厚度的增加，具有兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合印制電路板彎曲的風(fēng)險(xiǎn)就越大。奇數(shù)層電路板容易彎曲，偶數(shù)層印制電路板可以避免電路板彎曲。

在設(shè)計(jì)時(shí)，如果出現(xiàn)了奇數(shù)層的疊層，可以采用下面的方法來(lái)增加層數(shù)。

如果設(shè)計(jì)印制電路板的電源層為偶數(shù)而信號(hào)層為奇數(shù)，則可采用增加信號(hào)層的方法。增加的信號(hào)層不會(huì)導(dǎo)致成本的增加，反而可以縮短加工時(shí)間、改善印制電路板質(zhì)量。

如果設(shè)計(jì)印制電路板的電源層為奇數(shù)而信號(hào)層為偶數(shù)，則可采用增加電源層這種方法。而另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是在不改變其他設(shè)置的情況下在層疊中間加一個(gè)接地層，即先按奇數(shù)層印制電路板布線，再在中間復(fù)制一個(gè)接地層。

在微波電路和混合介質(zhì)（介質(zhì)有不同介電常數(shù)）電路中，可以在接近印制電路板層疊中央增加一個(gè)空白信號(hào)層，這樣可以最小化層疊不平衡性。

8. 成本考慮

在制造成本上，在具有相同的 PCB 面積的情況下，多層電路板的成本肯定比單層和雙層電路板高，而且層數(shù)越多，成本越高。但在考慮實(shí)現(xiàn)電路功能和電路板小型化，保證信號(hào)完整性、EMl、EMC 等性能指標(biāo)等因素時(shí)，應(yīng)盡量使用多層電路板。綜合評(píng)價(jià)，多層電路板與單雙層電路板兩者的成本差異并不會(huì)比預(yù)期的高很多。

審核編輯黃宇