PCB多層板選擇的原則是什么？如何進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)？

2022-10-31

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PCB層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品EMC的好壞都有直接的影響。板層的增加，方便了布線，但也增加了成本。設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮各方面的需求，以達(dá)到更佳的平衡。

在完成元器件的預(yù)布局后，一般需要對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線如差分線、敏感信號線等的數(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù)；然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。

層疊選擇因素考慮

電路板的層數(shù)越多，特殊信號層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多。

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

（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。

（3）電路中的高速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層，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傳輸提供電磁屏蔽，同時(shí)也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個(gè)內(nèi)電層之間，不對外造成干擾。

（4）避免兩個(gè)信號層直接相鄰。相鄰的信號層之間容易引入串?dāng)_，從而導(dǎo)致電路功能失效。在兩信號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信號層和B信號層采用各自單獨(dú)的地平面，可以有效地降低共模干擾。

（6）兼顧層結(jié)構(gòu)的對稱性。

常見的疊層設(shè)計(jì)：

2.1 四層板疊層結(jié)構(gòu)

2.2 六層板疊層結(jié)構(gòu)

2.3 八層板疊層結(jié)構(gòu)

一到八層電路板的疊層設(shè)計(jì)方式

1）單面板和雙面板的疊層

對于兩層板來說，由于板層數(shù)量少，已經(jīng)不存在疊層的問題?？刂艵MI輻射主要從布線和布局來考慮；　　單層板和雙層板的電磁兼容問題越來越突出。造成這種現(xiàn)象的主要原因就是因是信號回路面積過大，不僅產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁輻射，而且使電路對外界干擾敏感。要改善線路的電磁兼容性，最簡單的方法是減小關(guān)鍵信號的回路面積。

關(guān)鍵信號：從電磁兼容的角度考慮，關(guān)鍵信號主要指產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號和對外界敏感的信號。能夠產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號一般是周期性信號，如時(shí)鐘或地址的低位信號。對干擾敏感的信號是指那些電平較低的模擬信號。

單、雙層板通常使用在低于10KHz的低頻模擬設(shè)計(jì)中：

1. 在同一層的電源走線以輻射狀走線，并最小化線的長度總和；

2. 走電源、地線時(shí)，相互靠近；在關(guān)鍵信號線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射對外界干擾的敏感度。當(dāng)信號線的旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最小的回路，信號電流肯定會(huì)取道這個(gè)回路，而不是其它地線路徑。

3. 如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近信號線的下面，沿著信號線布一條地線，一線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于pcb線路板的厚度乘以信號線的長度。

2）四層板的疊層

推薦疊層方式：2.1 SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG；2.2 GND－SIG(PWR)－SIG(PWR)－GND；

對于以上兩種疊層設(shè)計(jì)，潛在的問題是對于傳統(tǒng)的**1.6mm（62mil）**板厚。層間距將會(huì)變得很大，不僅不利于控制阻抗，層間耦合及屏蔽；特別是電源地層之間間距很大，降低了板電容，不利于濾除噪聲。

對于種方案，通常應(yīng)用于板上芯片較多的情況。這種方案可得到較好的SI性能，對于EMI性能來說并不是很好，主要要通過走線及其他細(xì)節(jié)來控制。主要注意：地層放在信號最密集的信號層的相連層，有利于吸收和抑制輻射；增大板面積，體現(xiàn)20H規(guī)則。

3）六層板的疊層

對于芯片密度較大、時(shí)鐘頻率較高的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮6層板的設(shè)計(jì)。

推薦疊層方式：3.1 SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；

對于這種方案，這種疊層方案可得到較好的信號完整性，信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對，每個(gè)走線層的阻抗都可較好控制，且兩個(gè)地層都是能良好的吸收磁力線。并且在電源、地層完整的情況下能為每個(gè)信號層都提供較好的回流路徑。

3.2 GND－SIG－GND－PWR－SIG －GND；

對于這種方案，該種方案只適用于器件密度不是很高的情況，這種疊層具有上面疊層的所有優(yōu)點(diǎn)，并且這樣頂層和底層的地平面比較完整，能作為一個(gè)較好的屏蔽層來使用。需要注意的是電源層要靠近非主元件面的那一層，因?yàn)榈讓拥钠矫鏁?huì)更完整。因此，EMI性能要比種方案好。

小結(jié)：對于六層板的方案,**電源層與地層之間的間距應(yīng)盡量減小，以獲得好的電源、地耦合。**但62mil的板厚,層間距雖然得到減小,還是不容易把主電源與地層之間的間距控制得很小。對比種方案與第二種方案，第二種方案成本要大大增加。因此，我們疊層時(shí)通常選擇種方案。設(shè)計(jì)時(shí)，遵循20H規(guī)則和鏡像層規(guī)則設(shè)計(jì)。

4）八層板的疊層

八層板通常使用下面三種疊層方式

4.1 由于差的電磁吸收能力和大的電源阻抗，導(dǎo)致這種不是一種好的疊層方式。它的結(jié)構(gòu)如下：　　1 Signal 1 元件面、微帶走線層2 Signal 2 內(nèi)部微帶走線層，較好的走線層（X方向）3 Ground4 Signal 3 帶狀線走線層，較好的走線層（Y方向）

5 Signal 4 帶狀線走線層6 Power7 Signal 5 內(nèi)部微帶走線層8 Signal 6 微帶走線層　　4.2 是第三種疊層方式的變種，由于增加了參考層，具有較好的EMI性能，各信號層的特性阻抗可以很好的控制。

1 Signal 1 元件面、微帶走線層，好的走線層2 Ground 地層，較好的電磁波吸收能力3 Signal 2 帶狀線走線層，好的走線層4 Power 電源層，與下面的地層構(gòu)成的電磁吸收5 Ground 地層6 Signal 3 帶狀線走線層，好的走線層7 Power 地層，具有較大的電源阻抗8 Signal 4 微帶走線層，好的走線層

4.3 更佳疊層方式，由于多層地參考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

1 Signal 1 元件面、微帶走線層，好的走線層2 Ground 地層，較好的電磁波吸收能力3 Signal 2 帶狀線走線層，好的走線層4 Power 電源層，與下面的地層構(gòu)成的電磁吸收5 Ground 地層6 Signal 3 帶狀線走線層，好的走線層7 Ground 地層，較好的電磁波吸收能力8 Signal 4 微帶走線層，好的走線層

對于如何選擇設(shè)計(jì)用幾層板和用什么方式的疊層，要根據(jù)電路板上信號網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，器件密度，PIN密度，信號的頻率，板的大小等許多因素。對于這些因素我們要綜合考慮。對于信號網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量越多，器件密度越大，PIN密度越大，信號的頻率越高的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用多層板設(shè)計(jì)。為得到好的EMI性能更好保證每個(gè)信號層都有自己的參考層。

在設(shè)計(jì)多層PCB電路板之前，工程師們首先要根據(jù)單路規(guī)模，電路板尺寸以及電磁兼容性（EMC）的需求來確定電路板的層疊結(jié)構(gòu)。在確定層數(shù)之后在確定內(nèi)電層放置位置以及信號的分布，所以層疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要，這里整理了十幾篇關(guān)于層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的文章分享給大家。