多層PCB板的選擇、疊加原則和設(shè)計(jì)詳解

在設(shè)計(jì)多層PCB電路板之前，設(shè)計(jì)者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模、電路板的尺寸和電磁兼容（EMC）的要求來(lái)確定所采用的電路板結(jié)構(gòu)，也就是決定采用4層，6層，還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)之后，再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號(hào)。這就是多層PCB層疊結(jié)構(gòu)的選擇問題。層疊結(jié)構(gòu)是影響PCB板EMC性能的一個(gè)重要因素，也是抑制電磁干擾的一個(gè)重要手段。本節(jié)將介紹多層PCB板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。

11.1.1 層數(shù)的選擇和疊加原則

確定多層PCB板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來(lái)說，層數(shù)越多越利于布線，但是制板成本和難度也會(huì)隨之增加。對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說，層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱與否是PCB板制造時(shí)需要關(guān)注的焦點(diǎn)，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說，在完成元器件的預(yù)布局后，會(huì)對(duì)PCB的布線瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)合其他EDA工具分析電路板的布線密度；再綜合有特殊布線要求的信號(hào)線如差分線、敏感信號(hào)線等的數(shù)量和種類來(lái)確定信號(hào)層的層數(shù)；然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來(lái)確定內(nèi)電層的數(shù)目。這樣，整個(gè)電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

確定了電路板的層數(shù)后，接下來(lái)的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中，需要考慮的因素主要有以下兩點(diǎn)。

（1）特殊信號(hào)層的分布。

（2）電源層和地層的分布。

如果電路板的層數(shù)越多，特殊信號(hào)層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多，如何來(lái)確定哪種組合方式最優(yōu)也越困難，但總的原則有以下幾條。

（1）信號(hào)層應(yīng)該與一個(gè)內(nèi)電層相鄰（內(nèi)部電源/地層），利用內(nèi)電層的大銅膜來(lái)為信號(hào)層提供屏蔽。

（2）內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合，也就是說，內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應(yīng)該取較小的值，以提高電源層和地層之間的電容，增大諧振頻率。內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度可以在Protel的Layer Stack Manager（層堆棧管理器）中進(jìn)行設(shè)置。選擇【Design】/【Layer Stack Manager…】命令，系統(tǒng)彈出層堆棧管理器對(duì)話框，用鼠標(biāo)雙擊Prepreg文本，彈出如圖11-1所示對(duì)話框，可在該對(duì)話框的Thickness選項(xiàng)中改變絕緣層的厚度。

如果電源和地線之間的電位差不大的話，可以采用較小的絕緣層厚度，例如5mil（0.127mm）。

（3）電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且夾在兩個(gè)內(nèi)電層之間。這樣兩個(gè)內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號(hào)傳輸提供電磁屏蔽，同時(shí)也能有效地將高速信號(hào)的輻射限制在兩個(gè)內(nèi)電層之間，不對(duì)外造成干擾。

（4）避免兩個(gè)信號(hào)層直接相鄰。相鄰的信號(hào)層之間容易引入串?dāng)_，從而導(dǎo)致電路功能失效。在兩信號(hào)層之間加入地平面可以有效地避免串?dāng)_。

（5）多個(gè)接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗。例如，A信號(hào)層和B信號(hào)層采用各自單獨(dú)的地平面，可以有效地降低共模干擾。

（6）兼顧層結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。

11.1.2 常用的層疊結(jié)構(gòu)

下面通過4層板的例子來(lái)說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式。

對(duì)于常用的4層板來(lái)說，有以下幾種層疊方式（從頂層到底層）。
（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
（2）Siganl_1（Top），POWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
（3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

顯然，方案3電源層和地層缺乏有效的耦合，不應(yīng)該被采用。

那么方案1和方案2應(yīng)該如何進(jìn)行選擇呢？一般情況下，設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇方案1作為4層板的結(jié)構(gòu)。選擇的原因并非方案2不可被采用，而是一般的PCB板都只在頂層放置元器件，所以采用方案1較為妥當(dāng)。但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件，而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大，耦合不佳時(shí)，就需要考慮哪一層布置的信號(hào)線較少。對(duì)于方案1而言，底層的信號(hào)線較少，可以采用大面積的銅膜來(lái)與POWER層耦合；反之，如果元器件主要布置在底層，則應(yīng)該選用方案2來(lái)制板。

如果采用如圖11-1所示的層疊結(jié)構(gòu)，那么電源層和地線層本身就已經(jīng)耦合，考慮對(duì)稱性的要求，一般采用方案1。

在完成4層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后，下面通過一個(gè)6層板組合方式的例子來(lái)說明6層板層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式和優(yōu)選方法。

（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。

方案1采用了4層信號(hào)層和2層內(nèi)部電源/接地層，具有較多的信號(hào)層，有利于元器件之間的布線工作，但是該方案的缺陷也較為明顯，表現(xiàn)為以下兩方面。

① 電源層和地線層分隔較遠(yuǎn)，沒有充分耦合。
② 信號(hào)層Siganl_2（Inner_2）和Siganl_3（Inner_3）直接相鄰，信號(hào)隔離性不好，容易發(fā)生串?dāng)_。

（2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。

方案2相對(duì)于方案1，電源層和地線層有了充分的耦合，比方案1有一定的優(yōu)勢(shì)，但是Siganl_1（Top）和Siganl_2（Inner_1）以及Siganl_3（Inner_4）和Siganl_4（Bottom）信號(hào)層直接相鄰，信號(hào)隔離不好，容易發(fā)生串?dāng)_的問題并沒有得到解決。

（3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），POWER（Inner_3），GND（Inner_4），Siganl_3（Bottom）。

相對(duì)于方案1和方案2，方案3減少了一個(gè)信號(hào)層，多了一個(gè)內(nèi)電層，雖然可供布線的層面減少了，但是該方案解決了方案1和方案2共有的缺陷。

① 電源層和地線層緊密耦合。
② 每個(gè)信號(hào)層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號(hào)層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_。
③ Siganl_2（Inner_2）和兩個(gè)內(nèi)電層GND（Inner_1）和POWER（Inner_3）相鄰，可以用來(lái)傳輸高速信號(hào)。兩個(gè)內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對(duì)Siganl_2（Inner_2）層的干擾和Siganl_2（Inner_2）對(duì)外界的干擾。

綜合各個(gè)方面，方案3顯然是最優(yōu)化的一種，同時(shí)，方案3也是6層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。
通過對(duì)以上兩個(gè)例子的分析，相信讀者已經(jīng)對(duì)層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)，但是在有些時(shí)候，某一個(gè)方案并不能滿足所有的要求，這就需要考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則的優(yōu)先級(jí)問題。遺憾的是由于

電路板的板層設(shè)計(jì)和實(shí)際電路的特點(diǎn)密切相關(guān)，不同電路的抗干擾性能和設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)各有所不同，所以事實(shí)上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級(jí)可供參考。但可以確定的是，設(shè)計(jì)原則2（內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合）在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先得到滿足，另外如果電路中需要傳輸高速信號(hào)，那么設(shè)計(jì)原則3（電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且夾在兩個(gè)內(nèi)電層之間）就必須得到滿足。表11-1給出了多層板層疊結(jié)構(gòu)的參考方案，供讀者參考。

11.2.1 元器件布局的一般原則

設(shè)計(jì)人員在電路板布局過程中需要遵循的一般原則如下。

（1）元器件最好單面放置。如果需要雙面放置元器件，在底層（Bottom Layer）放置插針式元器件，就有可能造成電路板不易安放，也不利于焊接，所以在底層（Bottom Layer）最好只放置貼片元器件，類似常見的計(jì)算機(jī)顯卡PCB板上的元器件布置方法。單面放置時(shí)只需在電路板的一個(gè)面上做絲印層，便于降低成本。

（2）合理安排接口元器件的位置和方向。一般來(lái)說，作為電路板和外界（電源、信號(hào)線）連接的連接器元器件，通常布置在電路板的邊緣，如串口和并口。如果放置在電路板的中央，顯然不利于接線，也有可能因?yàn)槠渌骷淖璧K而無(wú)法連接。另外在放置接口時(shí)要注意接口的方向，使得連接線可以順利地引出，遠(yuǎn)離電路板。接口放置完畢后，應(yīng)當(dāng)利用接口元器件的String（字符串）清晰地標(biāo)明接口的種類；對(duì)于電源類接口，應(yīng)當(dāng)標(biāo)明電壓等級(jí)，防止因接線錯(cuò)誤導(dǎo)致電路板燒毀。

（3）高壓元器件和低壓元器件之間最好要有較寬的電氣隔離帶。也就是說不要將電壓等級(jí)相差很大的元器件擺放在一起，這樣既有利于電氣絕緣，對(duì)信號(hào)的隔離和抗干擾也有很大好處。

（4）電氣連接關(guān)系密切的元器件最好放置在一起。這就是模塊化的布局思想。

（5）對(duì)于易產(chǎn)生噪聲的元器件，例如時(shí)鐘發(fā)生器和晶振等高頻器件，在放置的時(shí)候應(yīng)當(dāng)盡量把它們放置在靠近CPU的時(shí)鐘輸入端。大電流電路和開關(guān)電路也容易產(chǎn)生噪聲，在布局的時(shí)候這些元器件或模塊也應(yīng)該遠(yuǎn)離邏輯控制電路和存儲(chǔ)電路等高速信號(hào)電路，如果可能的話，盡量采用控制板結(jié)合功率板的方式，利用接口來(lái)連接，以提高電路板整體的抗干擾能力和工作可靠性。

（6）在電源和芯片周圍盡量放置去耦電容和濾波電容。去耦電容和濾波電容的布置是改善電路板電源質(zhì)量，提高抗干擾能力的一項(xiàng)重要措施。在實(shí)際應(yīng)用中，印制電路板的走線、引腳連線和接線都有可能帶來(lái)較大的寄生電感，導(dǎo)致電源波形和信號(hào)波形中出現(xiàn)高頻紋波和毛刺，而在電源和地之間放置一個(gè)0.1?F的去耦電容可以有效地濾除這些高頻紋波和毛刺。如果電路板上使用的是貼片電容，應(yīng)該將貼片電容緊靠元器件的電源引腳。對(duì)于電源轉(zhuǎn)換芯片，或者電源輸入端，最好是布置一個(gè)10?F或者更大的電容，以進(jìn)一步改善電源質(zhì)量。

（7）元器件的編號(hào)應(yīng)該緊靠元器件的邊框布置，大小統(tǒng)一，方向整齊，不與元器件、過孔和焊盤重疊。元器件或接插件的第1引腳表示方向；正負(fù)極的標(biāo)志應(yīng)該在PCB上明顯標(biāo)出，不允許被覆蓋；電源變換元器件（如DC/DC變換器，線性變換電源和開關(guān)電源）旁應(yīng)該有足夠的散熱空間和安裝空間，外圍留有足夠的焊接空間等。

11.2.2 元器件布線的一般原則

設(shè)計(jì)人員在電路板布線過程中需要遵循的一般原則如下。

（1）元器件印制走線的間距的設(shè)置原則。不同網(wǎng)絡(luò)之間的間距約束是由電氣絕緣、制作工藝和元件大小等因素決定的。例如一個(gè)芯片元件的引腳間距是8mil，則該芯片的【Clearance Constraint】就不能設(shè)置為10mil，設(shè)計(jì)人員需要給該芯片單獨(dú)設(shè)置一個(gè)6mil的設(shè)計(jì)規(guī)則。同時(shí)，間距的設(shè)置還要考慮到生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力。

另外，影響元器件的一個(gè)重要因素是電氣絕緣，如果兩個(gè)元器件或網(wǎng)絡(luò)的電位差較大，就需要考慮電氣絕緣問題。一般環(huán)境中的間隙安全電壓為200V/mm，也就是5.08V/mil。所以當(dāng)同一塊電路板上既有高壓電路又有低壓電路時(shí)，就需要特別注意足夠的安全間距。

（2）線路拐角走線形式的選擇。為了讓電路板便于制造和美觀，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置線路的拐角模式，可以選擇45°、90°和圓弧。一般不采用尖銳的拐角，最好采用圓弧過渡或45°過渡，避免采用90°或者更加尖銳的拐角過渡。

導(dǎo)線和焊盤之間的連接處也要盡量圓滑，避免出現(xiàn)小的尖腳，可以采用補(bǔ)淚滴的方法來(lái)解決。當(dāng)焊盤之間的中心距離小于一個(gè)焊盤的外徑D時(shí)，導(dǎo)線的寬度可以和焊盤的直徑相同；如果焊盤之間的中心距大于D，則導(dǎo)線的寬度就不宜大于焊盤的直徑。

導(dǎo)線通過兩個(gè)焊盤之間而不與其連通的時(shí)候，應(yīng)該與它們保持最大且相等的間距，同樣導(dǎo)線和導(dǎo)線之間的間距也應(yīng)該均勻相等并保持最大。

（3）印制走線寬度的確定方法。走線寬度是由導(dǎo)線流過的電流等級(jí)和抗干擾等因素決定的，流過電流越大，則走線應(yīng)該越寬。一般電源線就應(yīng)該比信號(hào)線寬。為了保證地電位的穩(wěn)定（受地電流大小變化影響?。鼐€也應(yīng)該較寬。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)印制導(dǎo)線的銅膜厚度為0.05mm時(shí)，印制導(dǎo)線的載流量可以按照20A/mm2進(jìn)行計(jì)算，即0.05mm厚，1mm寬的導(dǎo)線可以流過1A的電流。所以對(duì)于一般的信號(hào)線來(lái)說10～30mil的寬度就可以滿足要求了；高電壓，大電流的信號(hào)線線寬大于等于40mil，線間間距大于30mil。為了保證導(dǎo)線的抗剝離強(qiáng)度和工作可靠性，在板面積和密度允許的范圍內(nèi)，應(yīng)該采用盡可能寬的導(dǎo)線來(lái)降低線路阻抗，提高抗干擾性能。

對(duì)于電源線和地線的寬度，為了保證波形的穩(wěn)定，在電路板布線空間允許的情況下，盡量加粗，一般情況下至少需要50mil。

（4）印制導(dǎo)線的抗干擾和電磁屏蔽。導(dǎo)線上的干擾主要有導(dǎo)線之間引入的干擾、電源線引入的干擾和信號(hào)線之間的串?dāng)_等，合理安排和布置走線及接地方式可以有效減少干擾源，使設(shè)計(jì)出的電路板具備更好的電磁兼容性能。

對(duì)于高頻或者其他一些重要的信號(hào)線，例如時(shí)鐘信號(hào)線，一方面其走線要盡量寬，另一方面可以采取包地的形式使其與周圍的信號(hào)線隔離起來(lái)（就是用一條封閉的地線將信號(hào)線“包裹”起來(lái)，相當(dāng)于加一層接地屏蔽層）。

對(duì)于模擬地和數(shù)字地要分開布線，不能混用。如果需要最后將模擬地和數(shù)字地統(tǒng)一為一個(gè)電位，則通常應(yīng)該采用一點(diǎn)接地的方式，也就是只選取一點(diǎn)將模擬地和數(shù)字地連接起來(lái)，防止構(gòu)成地線環(huán)路，造成地電位偏移。

完成布線后，應(yīng)在頂層和底層沒有鋪設(shè)導(dǎo)線的地方敷以大面積的接地銅膜，也稱為敷銅，用以有效減小地線阻抗，從而削弱地線中的高頻信號(hào)，同時(shí)大面積的接地可以對(duì)電磁干擾起抑制作用。

電路板中的一個(gè)過孔會(huì)帶來(lái)大約10pF的寄生電容，對(duì)于高速電路來(lái)說尤其有害；同時(shí)，過多的過孔也會(huì)降低電路板的機(jī)械強(qiáng)度。所以在布線時(shí)，應(yīng)盡可能減少過孔的數(shù)量。另外，在使用穿透式的過孔（通孔）時(shí)，通常使用焊盤來(lái)代替。這是因?yàn)樵陔娐钒逯谱鲿r(shí)，有可能因?yàn)榧庸さ脑驅(qū)е履承┐┩甘降倪^孔（通孔）沒有被打穿，而焊盤在加工時(shí)肯定能夠被打穿，這也相當(dāng)于給制作帶來(lái)了方便。

以上就是PCB板布局和布線的一般原則，但在實(shí)際操作中，元器件的布局和布線仍然是一項(xiàng)很靈活的工作，元器件的布局方式和連線方式并不唯一，布局布線的結(jié)果很大程度上還是取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和思路。可以說，沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以評(píng)判布局和布線方案的對(duì)與錯(cuò)，只能比較相對(duì)的優(yōu)和劣。所以以上布局和布線原則僅作為設(shè)計(jì)參考，實(shí)踐才是評(píng)判優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。